Балико А. К., Васильєв В. І., Климова А. В., Кузнецова І. В., Юсупова Н. І.

ФГУП «НПП Исток» вул. Вокзальна 2а, м. Фрязіно 141190, Росія e-mail: istkor@elnet.msk.ru тел. (095) 465-8620


Анотація Наведено розраховані параметри нелінійної моделі конкретних ПТШ і результати схемотехнічного і топологічного проектування трехкаскадного монолітного підсилювача потужності.

I. Вступ

В останні роки в техніці НВЧ широке застосування знаходять підсилювачі потужності на польових транзисторах з бар’єром Шоттки (ПТШ) [1-3]. Проектування підсилювачів на ПТШ пов’язано з низкою проблем, що стосуються, насамперед побудови нелінійних моделей ПТШ і різними підходами до розрахунку енергетичних характеристик підсилювача потужності ККД.

У роботі викладається методика розрахунку підсилювачів потужності на ПТШ, і результати схемотехнічного і топологічного проектування трехкаскадного монолітного підсилювача.

II. Основна частина

Методика проектування підсилювача потужності на ПТШ включає в себе наступні расчетноексперіментальние етапи:

0. Виходячи з вимог технічного завдання на вихідну потужність Рвих, коефіцієнт посилення Дор, ККД і робочого інтервалу частот вибирається функціональна схема підсилювача визначається число каскадів типи ПТШ.

1. Для кожного типу ПТШ вибирається кілька (N) режимів харчування і для цих режимів у робочому інтервалі частот вимірюються малосигнальні S

– Параметри транзистора.

2. Для кожного режиму харчування розраховуються елементи малосигнальної еквівалентної схеми ПТШ, при яких сума квадратів модулів різниць виміряних і розрахованих S параметрів досягає мінімальної величини.

3. За розрахованим елементам малосигнальної схеми для обраних режимів харчування ПТШ визначаються параметри нелінійної моделі ПТШ, наприклад моделі Materka [4, 5], включеної до програми SERENADE.

4. За допомогою програми SERENADE проводяться схемотехнічне і топологічний проектування підсилювача потужності і розрахунок його частотних і енергетичних характеристик.

Польовий транзистор з бар’єром Шоттки описується еквівалентною схемою, в якій визначальну роль при розрахунку підсилювача потужності грають вхідна ємність Cgs, Прохідна ємність Cgd, опір Ri і джерело струму Ids-

При напругах живлення транзистора Ugs = Ugsk, Uds = Udsk і струми lds = ldsk (k = 1,2 … N) інтервалі частот

7,5 … 10,5 ГГц за допомогою аналізатора ланцюгів HP 851 ОС вимірювалися S параметри ПТШ і визначалися малосигнальні параметри ПТШ: вхідні ємність Cgs, Прохідна ємність Cgd, Опір R,, вихідна провідність gdSn ємність CdS, Крутизна д, час затримки Т, опору електродів Rd, Rg, Rs й індуктивності Ld, Lg, Ls.

Використовуючи залежності ldSk від UgSk і UdSk визначаємо струм насичення Idss, напруга відсічення Vp0, Показник нелінійності е, крутизну Sl і Ss.

Підставляючи значення ємностей з малосигнальної моделі, визначені для напруг UgSk, Udsk, і самі напруги в вирази для нелінійних залежностей ємностей від напружень, одержуємо величини параметрів моделі Materka Сю, Cfo, rrigd, mgs, Ki, kf. Розраховані таким чином параметри нелінійної моделі ПТШ типу «Політ» (ширина затвора W = 300mkm) і «Пірат-40» (W = 4000mkm), що випускаються на «Витоки» наведені в таблиці. Аналіз технічного завдання (Рвих = 1Вт, Дор= 25дБ, ККД = 25%) дозволив визначити структуру підсилювача, що складається з трьох каскадів на ПТШ. Параметри ПТШ з W = 1200mkm були отримані шляхом масштабування.

Парам” “” – ^

ЗООмкм

1200мкм

4000мкм

Сю.пФ

0,86

0,87

0,88

Cis.nO

0

0,39

1,62

mgs

2,0

1,64

0,5

К1, 1 / В

0,35

0,51

1,0

Cfo, пФ

0,03

0,2

0,6

mgd

1,3

1,0

0,18

KF, 1 / В

0,29

0,46

1,0

Cds.nO

0,08

0,18

0,5

R10, Ом

4,7

3,8

1,0

KR, 1 / В

0

0,12

0,5

Idss, А

0,10

0,42

1,38

СО

про

Q.

-1,5

-1,74

-2,5

е

1,5

1,48

1,4

Sl, См

1,0

0,9

0,7

Ss, См

0,005

0,01

0,03

Т, пс

3,0

5,2

12,0

Rd, Ом

2,8

2,36

0,55

Ra, Ом

1,7

1,42

0,8

Rs, Ом

1,8

1,56

0,7

Cde, ПФ

0,018

0,018

0,018

Cdde, ПФ

0,02

0,02

0,02

Vbc, в

12,0

12,0

12,0

Контурна система кожного каскаду підсилювача в робочій смузі частот в загальному випадку описується реактивними погоджують елементами у вхідний (Ci, Li) і вихідний (Сг, L2) ланцюгах. Харчування транзистора здійснюється від двох джерел Ед і Ed

В роботі виконано схемотехнічне проектування трехкаскадного підсилювача потужності в діапазоні частот 7,5 … 10,5 ГГц. Перший каскад виконується на ПТШ з шириною затвора W = 300mkm («Політ»), другий з W = 1200 мкм, третій з W = 4000 мкм («Пірат-40»), Перші два каскади дозволяють отримати сумарний Дор > 20 дБ, третій Дор= 5 дБ і Рвих = 1 Вт Коефіцієнт корисної дії підсилювача дорівнює 0,265.

За допомогою програми SERENADE була проведена оптимізація узгоджуючих ланцюгів кожного каскаду. Оптимальні параметри узгоджуючих ланцюгів склали.

Ci,n

Ц, н

З2, П

I—2,

Eg,

Ed,

каскаду

Ф

Г

Ф

нГн

В

В

1

0,6

0,6

0,8

1,8

-0,8

7

2

0

0,6

0

0

-0,8

7,5

3

1,3

0,3

0,9

0,3

-2,1

7,5

Як розділових ємностей використовувалися конденсатори з номіналом в 50 пФ, а індуктивності мікрополоскових елементів в ланцюгах харчування складали 1,0 … 2 нГн.

За допомогою програми SERENADE виконано топологічний проектування трехкаскадного монолітного підсилювача потужності на підкладці з GaAs товщиною 100 мкм. Топологія підсилювача приведена на малюнку 1.

III. Висновок

Показана можливість створення монолітного підсилювача потужності з параметрами:

– Вихідна потужність по рівню 1 дБ не менше 1 Вт;

– Коефіцієнт підсилення не менше 25 дБ;

– Робоча частота в діапазоні 7,5 … 10,5 ГГц;

– Ширина смуги не менше 10%;

– Нерівномірність коефіцієнта посилення в лінійному режимі не більше 0,5 дБ;

– Розміри 6 мм X 2,5 мм.

IV. Література

[1] Tajima У., Miller Р. О. Design of broad-band power GaAs FET amplifiers / / IEEE Trans, 1986, V. MTT-32, N.3, p. 261.

[2] Пчелін В. А. Розробка підсилювачів потужності. Електронна техніка. Сер.1. СВЧ-техніка, 1999, Вип. 1, с. 8-14.

[3] Materka A., Kacpazak Т. Computer calculation of largesignal GaAs FET amplifier characteristics. IEEE Trans,

1985, Vol. MTT-33, № 2, p. 129.

Puc. 1. Топологія монолітного підсилювача Fig. 1. Monolithic amplifier layout

[4] Балико А. К., Юсупова H. І. Математичне забезпечення для проектування НВЧ транзисторних підсилювачів потужності. Огляди з електронної техніки. Сер. 1. СВЧ-техніка, 1994, Вип. 6., 53 с.

MONOLITHIC POWER AMPLIFIER DESIGN

Balyko A. K., Vasilyev V. I., Klimova A. V., Kuznetsova I. V., Yusupova N. I.

‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise 2A Vokzalnaya St., Fryazino, Moscow Region, Russia, 141190 phone +7 (95) 4658620 e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract Computed parameters of nonlinear model for several specific FETs, circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic power amplifier are presented.

I.  Introduction

Schottky gated FET-based power amplifiers have found wide applications in microwave technology in recent years. The design of FET amplifiers encounters a number of problems related to nonlinear modeling of transistor and to different approaches that exist in computing the power performance.

The computational procedure for FET-based power amplifiers is described and the results of circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic amplifier are presented in this report.

II.  Main part

The design procedure includes the following stages:

A functional circuit of the amplifier is developed; the number of stages is determined; the type of transistor is selected according to the parameters listed in the requirements specification: output power, gain, efficiency and frequency range.

Supply voltage modes are chosen for each type of FET. Small-signal S-parameters of transistors for these modes are measured over the operating frequency range.

The maximal proximity between the computed and measured S-parameters is achieved by varying the elements of the small signal equivalent circuit of FET (inductances of leads, capacitances and resistances).

Parameters of a nonlinear model of FET, e.g. the Materka model [4, 5] (included into the Serenade software) are determined from the elements computed for the given supply modes.

Circuit engineering and layout design of a hybrid integrated and monolithic amplifier, the computation of its frequency and power performance are conducted.

III.  Conclusion

The possibility is shown of manufacturing a monolithic power amplifier with the following properties: output power above 1W at ~1 dB, gain above 25dB, frequency range between 7.5 and 10.5GHz, bandwidth not less than 10%, gain ripple in the linear mode below 0.5 dB, dimensions 6mm x 2.5mm.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.