МАЛОСИГНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ ЭЛЕКТРОНОВ

April 8, 2012 by admin Комментировать »

Емцев П. А., Сундучков И. К., Сундучков К. С., Шелковников Б. Н.

Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» e-mail: yemtsev@gmx.net, тел. +380 (050) 6893012

Аннотация – Представлена малосигнальная модель транзистора с высокой подвижностью электронов ATF- 36077 в корпусированном и бескорпусном вариантах. Приведена методика определения параметров модели. Показано, что путем использования кристалла транзистора без корпуса возможно увеличить верхнюю частоту усилителя на этом транзисторе более чем в два раза.

I.  Введение

Процесс разработки любого устройства СВЧ начинается с моделирования его работы, и это не удивительно – предварительные моделирование и оптимизация позволяют существенно сократить время, необходимое для отладки устройства. В то же время, ни одна из систем автоматизированного проектирования устройств СВЧ не обладает исчерпывающей библиотекой активных компонентов. Основной причиной этой ситуации является тот факт, что процесс моделирования активных компонентов является трудоемким, требует наличия дорогостоящего оборудования (обычно – векторного анализатора цепей и измерителя характеристик по постоянному току) и не всегда успешным. Поэтому стоимость создания библиотек компонентов может быть соизмерима или даже превышать стоимость создания самого программного обеспечения. В сложившейся ситуации процесс проектирования часто начинается с моделирования активных компонентов, которые предполагается использовать в устройстве. Если в наличии имеется упомянутое выше измерительное оборудование, то появляется возможность построения любой необходимой модели. Но такая возможность имеется далеко не всегда, поэтому единственным выходом является использование данных производителя. Такой подход имеет еще одно достоинство: данные, приводимые в документации, обычно являются измеренными высококвалифицированными специалистами на прецизионном измерительном оборудовании, что практически гарантирует отсутствие ошибок в измерениях. В связи с этим моделирование лучше начинать с обработки данных производителя.

Транзистор с высокой подвижностью электронов ATF-36077 является малошумящим прибором с высоким коэффициентом усиления. В документации приводятся следующие данные: параметры рассеяния и шумовые параметры в диапазоне 1-18 ГГц в рабочем режиме при одном значении смещения и параметры рассеяния в диапазоне 11-13 ГГц для случая напряжения на затворе ниже напряжения отсечки. Эти данные уже можно использовать в процессе проектирования, однако, применение малосигнальной модели открывает несравнимо большие возможности.

II.  Основная часть

Эквивалентная схема модели (рисунок 1) представляет собой несколько модифицированную эквивалентною схему классической малосигнальной модели.

Рисунок 1. Эквивалентная схема малосигнальной модели

Figure 1. Small signal model circuit diagram

Обозначения на схеме следующие:

Элементы внутренней части прибора:

Rg – сопротивление затвора;

Rgs (Ri)— сопротивление затвор – исток;

Rd – сопротивление стока;

Rs – сопротивление истока;

Gds – проводимость канала сток – исток;

Cgs – емкость затвор – исток;

Cgd – емкость затвор – сток;

Cds – емкость сток – исток.

Паразитные элементы:

Cgl- емкость вывода затвора;

Lgl – индуктивность вывода затвора;

Cgm – емкость металлизации области затвора;

Lgm – индуктивность металлизации области затвора;

Cdl- емкость вывода стока;

Ldl – индуктивность вывода стока;

Ldm – индуктивность металлизации области стока; Cdm – емкость металлизации области стока;

Ls – индуктивность вывода истока.

Методика определения параметров в целом похожа на описанную в [1]. Сначала определяются входная (состоящая из Cgs, Cgl и Cgm), выходная (состоящая из Cds, Cdl и Cdm) и проходная (Cgd) емкости. Результаты машинного расчета этих емкостей в диапазоне 5-12 ГГц сведены в таблицу 1.

Таблица 1. Результаты расчета емкостей

Сех, пф

0.07-0.47

Свых, пф

0.05-0.21

Спрох = Cgd, пф

0.007-0.060

Значения емкостей сильно отличаются для различных частот, что можно объяснить воздействием неучтенных индуктивностей. Это не должно пугать, так как цель на данном этапе – найти стартовые значения для начала оптимизации. Затем можно определить значения емкостей и индуктивностей металлизации путем электромагнитного моделирования в пакете Sonnet или аналогичном.. Значения элементов gm и Gds с успехом определяются из результатов измерений по постоянному току. Стартовые значения индуктивностей выводов Lgl и Ldl можно найти из рассмотрения конструкции корпуса, полагая, что на 1мм длины приходится 1 нГн индуктивности [2]. Необходимо учитывать, что пайка выполняется на некотором расстоянии от корпуса, впрочем, часто весьма близком – около 0.5 – 1 мм. Индуктивность выводов истока Ls, которых два и которые гораздо шире, можно принять равной десятой части от индуктивностей выводов затвора или стока.

Определение значений сопротивлений Rg, Ri, Rs, Rd – задача, не имеющая стандартного решения. В данном случае использовались значения, типичные для маломощных арсенидгаллиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов.

После нахождения всех стартовых значений осуществлялась оптимизация с целью получения минимального отклонения между данными измерений и моделирования. Результирующие кривые представлены на рисунке 2.

ствие представляется возможным путем удаления корпуса, то есть в бескорпусном варианте. Для этого необходимо исключить элементы, описывающие корпус и выводы – Cgl, Lgl, Ls, Ldl, Cdl. Таким образом, модель позволит предсказать параметры транзистора без корпуса, то есть получить информацию, производителем не афишируемую. В этом проявляется одно из главных преимуществ использования модели пред использованием непосредственно матриц рассеяния. S-параметры транзистора без корпуса показаны на рис. 3. Там же приводится коэффициент усиления, который можно получить от простейшего усилительного каскада на этом транзисторе при сопротивлениях источника и нагрузки, равных 50 Ом.

Рисунок 3. Результаты моделирования транзистора ATF-36077 в бескорпусном варианте.

Figure 3. Modeling results for unpackaged ATF-36077 transistor

Рисунок 2. Результаты измерений и моделирования

S – параметров транзистора ATF-36077.

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

Соответствие результатов измерений и моделирования хорошее во всем диапазоне частот, поэтому можно предположить, что номиналы элементов и параметры модели определены корректно. Их значения сведены в таблицу 2.

Таблица 2. Номиналы элементов эквивалентной схемы и параметры после оптимизации         

Наименование

Единица измер.

Значение

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.  Заключение

Транзистор ATF-36077 может быть использован и на частотах выше 18 ГГц. Так как быстродействие прибора в значительной степени ограничено паразитными элементами корпуса, повысить быстродей

Очевидно, что усиление остается достаточно высоким вплоть до частоты 40 ГГц, то есть транзистор можно использовать на значительно более высоких частотах, чем рекомендовано изготовителем.

Результаты моделирования были опробованы путем измерения параметров усилителя, топология которого представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Топология усилителя на ATF-36077.

Figure 4. ATF-36077 amplifier layout

Результаты измерений, электрического и электромагнитного моделирования представлены на рисунке 5. Недостаточное совпадение результатов измерений и моделирования вызвано тем, что характеристики усилителя оказываются намного более чувствительными к топологии, чем к параметрам модели транзистора.

Совпадение получается хорошим на краях диапазона, где нет влияния спада в усилении, определяемого геометрией связанных линий на выходе усилителя (рисунок 4).

III.  Список литературы

Figure 5. ATF-36077 amplifier measurement and simulation results

[1]  Емцев П. А. Моделирование транзистора с высокой подвижностью электронов. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2003., №6.

[2]  Э. Ред. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике. 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. Результаты измерений и моделирования усилителя 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.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты