Емцев П. А., скриньок І. К., скриньок К. С., Шелковніков Б. Н.

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут» e-mail: yemtsev@gmx.net, тел. +380 (050) 6893012

Анотація – Представлена ​​малосигнальная модель транзистора з високою рухливістю електронів ATF-36077 в корпусовані і бескорпусном варіантах. Наведено методику визначення параметрів моделі. Показано, що шляхом використання кристала транзистора без корпусу можливо збільшити верхню частоту підсилювача на цьому транзисторі більш ніж в два рази.

I. Вступ

Процес розробки будь-якого пристрою НВЧ починається з моделювання його роботи, і це не дивно – попередні моделювання та оптимізація дозволяють істотно скоротити час, необхідний для налагодження пристрою. У той же час, жодна з систем автоматизованого проектування пристроїв СВЧ не володіє вичерпною бібліотекою активних компонентів. Основною причиною цієї ситуації є той факт, що процес моделювання активних компонентів є трудомістким, вимагає наявності дорогого обладнання (зазвичай – векторного аналізатора ланцюгів і вимірювача характеристик по постійному току) і не завжди успішним. Тому вартість створення бібліотек компонентів може бути порівнянна або навіть перевищувати вартість створення самого програмного забезпечення. В ситуації, що склалася процес проектування часто починається з моделювання активних компонентів, які передбачається використовувати в пристрої. Якщо в наявності є згадане вище вимірювальне обладнання, то з’являється можливість побудови будь-якої необхідної моделі. Але така можливість є далеко не завжди, тому єдиним виходом є використання даних виробника. Такий підхід має ще одна перевага: дані, що наводяться в документації, звичайно є виміряними висококваліфікованими фахівцями на прецизійному вимірювальному обладнанні, що практично гарантує відсутність помилок у вимірах. У зв’язку з цим моделювання краще починати з обробки даних виробника.

Транзистор з високою рухливістю електронів ATF-36077 є малошумящим приладом з високим коефіцієнтом посилення. У документації наводяться такі дані: параметри розсіювання та шумові параметри в діапазоні 1-18 ГГц в робочому режимі при одному значенні зсуву і параметри розсіювання в діапазоні 11-13 ГГц для випадку напруги на затворі нижче напруги відсічки. Ці дані вже можна використовувати в процесі проектування, однак, застосування малосигнальної моделі відкриває незрівнянно більші можливості.

II. Основна частина

Еквівалентна схема моделі (рисунок 1) являє собою кілька модифіковану еквівалентну схему класичної малосигнальної моделі.

Рисунок 1. Еквівалентна схема малосигнальної моделі

Figure 1. Small signal model circuit diagram

Позначення на схемі наступні:

Елементи внутрішньої частини приладу:

Rg – опір затвора;

Rgs (Ri) – опір затвор – витік;

Rd – опір стоку;

Rs – опір витоку;

Gds – провідність каналу стік – витік;

Cgs – ємність затвор – витік;

Cgd – ємність затвор – стік;

Cds – ємність стік – витік.

Паразитні елементи:

Cgl-ємність виведення затвора;

Lgl – індуктивність виведення затвора;

Cgm – ємність металізації області затвора;

Lgm – індуктивність металізації області затвора;

Cdl-ємність виведення стоку;

Ldl – індуктивність виведення стоку;

Ldm – індуктивність металізації області стоку; Cdm – ємність металізації області стоку;

Ls – індуктивність виведення витоку.

Методика визначення параметрів в цілому схожа на описану в [1]. Спочатку визначаються вхідні (що складається з Cgs, Cgl і Cgm), вихідна (що складається з Cds, Cdl і Cdm) і прохідна (Cgd) ємності. Результати машинного розрахунку цих ємностей в діапазоні 5-12 ГГц зведені в таблицю 1.

Таблиця 1. Результати розрахунку ємностей

Сех, пф

0.07-0.47

Свих, пф

0.05-0.21

Спрох = Cgd, пф

0.007-0.060

Значення ємностей сильно відрізняються для різних частот, що можна пояснити впливом неврахованих індуктивностей. Це не повинно лякати, так як мета на даному етапі – знайти стартові значення для початку оптимізації. Потім можна визначити значення ємностей і індуктивностей металізації шляхом електромагнітного моделювання в пакеті Sonnet або аналогічному .. Значення елементів gm і Gds з успіхом визначаються з результатів вимірювань по постійному струму. Стартові значення індуктивностей виводів Lgl і Ldl можна знайти з розгляду конструкції корпусу, вважаючи, що на 1мм довжини припадає 1 нГн індуктивності [2]. Необхідно враховувати, що пайка виконується на деякій відстані від корпусу, втім, часто вельми близькому – близько 0.5 – 1 мм. Індуктивність висновків витоку Ls, яких два і які набагато ширше, можна прийняти рівною десятої частини від індуктивностей виводів затвора або стоку.

Визначення значень опорів Rg, Ri, Rs, Rd – завдання, що не має стандартного рішення. В даному випадку використовувалися значення, типові для малопотужних арсенідгалліевих транзисторів з високою рухливістю електронів.

Після знаходження всіх стартових значень здійснювалася оптимізація з метою отримання мінімального відхилення між даними вимірів та моделювання. Результуючі криві представлені на малюнку 2.

ствие представляється можливим шляхом видалення корпусу, тобто в бескорпусном варіанті. Для цього необхідно виключити елементи, що описують корпус і висновки – Cgl, Lgl, Ls, Ldl, Cdl. Таким чином, модель дозволить передбачити параметри транзистора без корпусу, тобто отримати інформацію, виробником не афішуються. В цьому проявляється одна з головних переваг використання моделі перед використанням безпосередньо матриць розсіювання. S-параметри транзистора без корпусу показані на рис. 3. Там же наводиться коефіцієнт підсилення, який можна отримати від найпростішого підсилювального каскаду на цьому транзисторі при опорах джерела і навантаження, рівних 50 Ом.

Рисунок 3. Результати моделювання транзистора ATF-36077 в бескорпусном варіанті.

Figure 3. Modeling results for unpackaged ATF-36077 transistor

Рисунок 2. Результати вимірювань та моделювання

S – параметрів транзистора ATF-36077.

Figure 2. ATF-36077 transistor S-parameter measurement and simulation results

Відповідність результатів вимірювань та моделювання хороше у всьому діапазоні частот, тому можна припустити, що номінали елементів і параметри моделі визначені коректно. Їх значення зведені в таблицю 2.

Таблиця 2. Номінали елементів еквівалентної схеми та параметри після оптимізації

Найменування

Одиниця виміру.

Значення

Cgl

пФ

0.144

Lgl

ПГ

464

Cgm

пФ

0.05

Lgm

ПГ

100

Rg

Ом

1

Ri

Ом

3

Cgs

пФ

0.21

Rs

Ом

3

Ls

ПГ

44.4

Cgd

пФ

0.0243

gm

А / В

0.0857

tau

псек

6.1

Rds

Ом

146

Cds

пФ

0.168

Rd

Ом

3

Ldm

ПГ

100

Cdm

пФ

50

Ldl

ПГ

312

Cdl

пФ

0.1

III. Висновок

Транзистор ATF-36077 може бути використаний і на частотах вище 18 ГГц. Так як швидкодія приладу в значній мірі обмежена паразитними елементами корпусу, підвищити бистродей

Очевидно, що посилення залишається досить високим аж до частоти 40 ГГц, тобто транзистор можна використовувати на значно більш високих частотах, ніж рекомендовано виробником.

Результати моделювання були випробувані шляхом вимірювання параметрів підсилювача, топологія якого представлена ​​на малюнку 4.

Малюнок 4. Топологія підсилювача на ATF-36077.

Figure 4. ATF-36077 amplifier layout

Результати вимірювань, електричного та електромагнітного моделювання представлені на малюнку 5. Недостатнє збіг результатів вимірювань та моделювання викликано тим, що характеристики підсилювача виявляються набагато більш чутливими до топології, ніж до параметрів моделі транзистора.

Збіг виходить хорошим на краях діапазону, де немає впливу спаду в посиленні, що визначається геометрією пов’язаних ліній на виході підсилювача (рисунок 4).

III. Список літератури

Figure 5. ATF-36077 amplifier measurement and simulation results

[1] Емцев П. А. Моделювання транзистора з високою рухливістю електронів. Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2003., № 6.

[2] Е. Ред. Довідковий посібник з високочастотної схемотехніки. М.: Мир, 1990.

HIGH ELECTRON MOBILITY TRANSISTOR SMALL SIGNAL MODEL

Yemtsev P. A., Sunduchkov I. K., Sunduchkov K. S., Shelkovnikov B. N.

National Technical University of Ukraine “KPI” e-mail: yemtsev@gmx.net

Abstract – ATF-36077 high electron mobility transistor small signal model is represented for booth packaged and unpackaged cases. Model parameter extraction procedure is presented. It is shown, that using the transistor withowt package gives a possibility to expand amplifier frequency range more than twice.

I.  Introduction

The process of microwave equipment development often starts with simulation. This development sequence allows to reduce the costs and time spent for elaboration. Unfortunately, active component libraries of microwave simulators are often not complete. In this case development process starts with active device modeling. The modeling procedure is quite complicated and thus the cost of large active component library is comparable or even exceeds the cost of simulator. Becides, modeling procedure requires very expensive equipment which is not always available. In this situation the best way is to use the vendor data. Usually, for microwave transistor S-parameters in whole frequency range are specified. But, as it will be shown in this work, using the transistor model opens wider possibilities for developers.

Частота, ГГц

Рисунок 5. Результати вимірювань і моделювання підсилювача на ATF-36077.

Investigated ATF-36077 HEMT from Hewlett-Packard is low noise device with high gain. It is quite promising for low noise amplifier in 1-18 GHz frequency range applications. S-parameters for this frequency range are represented in mentor datasheet, and this allows to build up small-signal model. The model could be useful for LNA development and investigation of transistor applicability outside frequency range recommended by vendor.

II.  Main part

The circuit diagram of transistor model (figure 1) is slightly modified microwave FET small-signal model. It consists of part representing the package elements (Lgl, Cgl, Ldl, Cdl, Ls), part which represents the metalization placed on GaAs substrate (Lgm, Cgm, Ldm, Cdm) and intrinsic part which represents transistor itself. Transistor parameter extraction procedure is based on semi-analytical approach. It includes initial parameter evaluation and final optimization in order get the best fit between measured and simulated S-parameters. Simple evaluation based on empirical solutions is made to get initial parameters for elements, which represent the package. The parasitics representing pad metalization are found by electromagnetic simulation in Sonnet. To find intrinsic model elements, procedure derived on standard extraction procedures for FET device small-signal models was applied. As it is obvious from figure 2, the correspondence between measured and simulated S-parameters is quite good.

III.  Conclusion

Removing the package can expand frequency range of ATF-36077 application. In this case elements representing package have to be removed from model. These elements are Lgl, Cgl, Ldl, Cdl. S-parameters obtained oly by simulation for unpackaged transistor are shown in figure 3. Figure also represents the gain obtained (by simulation) from simple transistor amplifier in the case of 50 Ohm source and load resistance. It is obvious that amplification remains high at frequencies up to 40 GHz. That allows to use this transistor in fre quency range much wider than recommended by vendor.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»