Содержание
Во-первых: Какой физический механизм используется для усиления или коммутации сигналов? (Физика процессов и устройств)
Второе: Как эти физические механизмы объединяются в работоспособную схему? (Топология и архитектура)
Третье: В условиях высоких частот, высоких температур и высокой мощности как обеспечить надёжную и стабильную работу данной схемы? (Инжиниринг и производство)
В данной статье используются эти три уровня логики.
1. Первый уровень: физика устройства — как на самом деле работает усилитель на транзисторах?
Наиболее важным активным элементом в РЧ-чипе является полевой транзистор (FET). Независимо от того, называется ли он HEMT, pHEMT или MOSFET, основной механизм усиления сигнала остается неизменным: регулирование тока в канале с помощью напряжения на затворе.
Однако эффективность этого “контроля” значительно варьируется в зависимости от конкретных технологических процессов.
1.1 GaAs HEMT — электроны движутся быстро
Сердцем HEMT (транзистора с высокой подвижностью электронов) является гетеропереход – два полупроводниковых материала с разными ширинами запрещенной зоны, выращенные вместе, образующие двумерный электронный газ (2DEG) на границе раздела. Этот электронный газ обладает чрезвычайно высокой подвижностью, поскольку электроны не сталкиваются с атомами примесей на границе раздела.
Подвижность электронов в GaAs-HEMT может превышать 8000 см²/(В·с) . Это означает, что при одинаковом изменении напряжения на затворе ток в канале изменяется в большей степени — более высокая транскондуктанс и более высокие частотные характеристики.
Еще одним преимуществом GaAs-HEMT является его шумовые характеристики. Поскольку электронно-фононное рассеяние в канале слабее, как тепловой шум канала, так и шум мерцания ниже, чем в устройствах на основе кремния. Именно поэтому почти во всех высококачественных усилителях низкого уровня (LNA) приемной цепи используется GaAs pHEMT — его физическая структура по своей сути является “малошумной”.”
1,2 GaN HEMT — выдерживает высокое напряжение
Ширина запрещенной зоны GaN является 3,4 эВ, по сравнению с 1,4 эВ для GaAs. Прямым следствием этого является то, что напряжение пробоя GaN на порядок выше, чем у GaAs.
Что означает «более высокое пробивное поле»? При одинаковых размерах транзистора GaN способен выдерживать гораздо более высокое напряжение на стоке, что позволяет обеспечить значительно большую выходную мощность. Плотность мощности в несколько раз превышает показатель GaAs. В сравнительном исследовании 2022 года прямо указано, что HEMT на основе GaN демонстрирует более высокие показатели мощности и частоты по модифицированному коэффициенту качества Джонсона (основанному на частоте среза).
Еще одним преимуществом GaN является термическая стабильность. В диапазоне температур от –40 °C до +150 °C параметры малосигнальной модели GaN-HEMT изменяются гораздо меньше, чем у GaAs-устройств. Это означает, что в условиях высокой мощности и высоких температур, таких как радиолокационные передатчики, надежность GaN значительно превосходит надежность GaAs.
Компромисс между GaAs и GaN по сути является компромиссом, обусловленным законами физики: GaAs обеспечивает низкий уровень шума и высокую линейность; GaN — высокую удельную мощность и устойчивость к высоким температурам. Не существует понятия “лучше” — есть только “более подходящий”.”
2. Уровень 2: Архитектура схемы — от транзистора до функционального блока
Сам по себе транзистор представляет собой лишь усилительный элемент — для выполнения таких функций, как усиление, смешивание и коммутация, его необходимо включить в определенные схемные топологии.
2.1 Архитектурная логика малошумящих усилителей (LNA)
Основная задача при проектировании низкошумного усилителя (LNA) заключается в противоречие между согласованием по уровню шума и согласованием по мощности.
Для данного транзистора импеданс истока, при котором минимальный коэффициент шума и тот, который даёт максимальное усиление как правило, не совпадают. Проектировщик должен нанести на диаграмму Смита две окружности — одну окружность постоянного коэффициента шума и а окружность постоянного усиления – и найти компромисс.
Реализация в схеме:
- Источник индуктивной дегенерации — это классическая структура согласования входа для LNA. Путем включения небольшой катушки в ряд с источником можно довести действительную часть входного импеданса до 50 Ом без увеличения уровня шума.
- Каскод Топология является распространенным решением для повышения пропускной способности и улучшения изоляции. Каскад с общим выходом устраняет эффект Миллера, выравнивая коэффициент усиления на высоких частотах.
2.2 Архитектурная логика усилителей мощности (PA)
Основная задача при проектировании системы PA заключается в том, чтобы вечный конфликт между эффективностью и линейностью.
Физическая причина этого конфликта кроется в рабочей области транзистора:
| Класс | Угол проводимости | Теоретическая эффективность | Линейность |
|---|---|---|---|
| A | 360° | ≤50% | Лучшее |
| AB | 180°–360° | 50%–78.5% | Хорошо |
| B | 180° | 78.5% | Перекрестные искажения |
| C | <180° | >78,51 TP3T | Плохо |
Усилители класса А обеспечивают наилучшую линейность, однако их теоретический максимальный КПД составляет всего 50% — остальные 50% постоянного тока превращаются в тепло. Усилители класса С могут достигать очень высокого КПД, но выходной сигнал при этом сильно искажается.
К инженерным подходам, позволяющим смягчить этот компромисс, относятся:
Архитектура Доэрти: В конструкции используются два транзистора: основной усилитель работает автономно при низкой мощности, а вспомогательный усилитель включается при высокой мощности. Такая архитектура позволяет сохранять относительно высокий КПД даже в режимах снижения мощности, благодаря чему она является наиболее распространенным выбором для усилителей мощности базовых станций.
Снижение мощности: Работа усилителя мощности при мощности, значительно ниже его насыщенной выходной мощности, с целью обеспечить линейность за счет снижения КПД. Однако ценой этого является резкое снижение КПД.
Цифровое предварительное искажение (DPD): Прежде чем сигнал поступает в усилитель мощности, к нему предварительно прилагается искажение, обратное нелинейным характеристикам усилителя, и эти два искажения взаимно компенсируются, обеспечивая линейный выходной сигнал.
2.3 Архитектурная логика смесителей и коммутаторов
Сердцевиной миксера является нелинейность – использование нелинейных характеристик транзисторов для умножения двух сигналов различной частоты с получением суммарной и разностной частот.
- Пассивные микшеры используют диоды или транзисторы переключающего типа. Они обеспечивают хорошую линейность и низкий уровень шума, но требуют высокой мощности возбуждения локального генератора.
- Активные микшеры используют транзисторы для обеспечения коэффициента усиления. Они отличаются более высокой степенью интеграции, но при этом имеют несколько худшие показатели по шуму и линейности.
Сердцем РЧ-коммутатора является компромисс между изоляцией и коэффициентом затухания входе. От SPDT до SP6T вносимые потери увеличиваются с ростом количества портов. Цифровые РЧ-коммутаторы STARDL с высокой степенью развязки (до SP6T) обеспечивают низкие вносимые потери и высокую степень развязки в диапазоне от постоянного тока до 40 ГГц. Цель разработки заключается в том, чтобы одновременно минимизировать вносимые потери и максимизировать развязку в широком диапазоне частот.
3. Третий уровень: проектирование и производство — почему параметры, указанные в техническом паспорте, не соответствуют характеристикам платы
Это самая распространённая проблема, с которой сталкиваются инженеры-радиотехники: S-параметры, указанные в техническом паспорте, измеряются на пробная станция на уровне пластин – щупы, напрямую соприкасающиеся с контактными площадками микросхемы. Однако на вашей печатной плате микросхема проходит этапы корпусирования, соединения проволочными контактами и прокладки трасс — каждый из этих этапов вносит дополнительные паразитные параметры.
3.1 Паразитные эффекты — “невидимый убийца” радиочастотных цепей
На частотах порядка гигагерц, размеры физических следов уже сопоставимы с длиной волны сигнала. Индуктивность соединительного провода толщиной 1 мм составляет примерно 1 нГ на частоте 10 ГГц, демонстрируя индуктивное сопротивление величиной примерно 63 Ом – близка к характеристическому импедансу системы. Это означает, что сам соединительный провод изменяет условия согласования цепи.
Особенность проектирования радиочастотных интегральных схем заключается в том, что паразитные эффекты относятся к первому порядку, а не ко второму факторы, влияющие на рабочие характеристики. Именно поэтому при проектировании RFIC необходимо итеративное электромагнитное моделирование, выделение паразитных составляющих и моделирование корпуса на протяжении всего процесса проектирования.
3.2 Темперационный дрейф — недооцененный фактор, ухудшающий рабочие характеристики
Типовые значения, указанные в техническом паспорте, измерены при комнатная температура (25 °C) . Однако вашей системе, возможно, потребуется работать в диапазоне температур от –40 °C до +85 °C или даже в более широком диапазоне.
В исследовании 2016 года сравнивались изменения параметров малых сигналов HEMT на основе GaAs и GaN в диапазоне температур от –40 °C до 150 °C. Вывод: температурные коэффициенты этих двух типов устройств совершенно разные. The внутренние ёмкости характеристики GaAs значительно изменяются с изменением температуры, тогда как характеристики GaN изменяются гораздо меньше.
Это означает: Устройства на основе GaAs требуют большего запаса по характеристикам в широком диапазоне температур, при этом устойчивость GaN при высоких температурах является его физическим преимуществом.
3.3 Заземление и развязка — самая недооцененная “системная проблема”
Этот обратный канал RF-сигнала должен точно повторять траекторию сигнала. Если импеданс заземления слишком высок или длина контура слишком велика, образуется большой контур, что приводит к излучению и взаимной связи.
При выборе развязывающего конденсатора нельзя руководствоваться принципом “чем больше, тем лучше”. Радиочастотные микросхемы — особенно усилители мощности, работающие в импульсном режиме — потребляют динамический ток. Для фильтрации шума разных частот требуются разные значения ёмкости, что, как правило, предполагает использование комбинации ёмкостей в диапазоне трёх порядков величины (пФ, нФ, мкФ).
4. Вернуться к логике продукта STARDL
Ассортимент интегральных схем STARDL для радиочастотного и микроволнового диапазонов — от отдельных кристаллов до готовых устройств в корпусах и силовых устройств на основе GaN — охватывает диапазон частот от постоянного тока до 50 ГГц. Три категории продуктов предназначены для решения различных инженерных задач:
Голый кристалл – Предназначено для проектных команд, стремящихся к максимальной производительности и располагающих возможностями микросборки. Отказ от корпуса позволяет устранить паразитные эффекты, однако пользователям приходится самостоятельно заниматься пайкой и сборкой.
Интегральные схемы в корпусах – Предназначены для высокоэффективного и высоконадежного серийного производства. Керамический корпус подходит для применения в военной и аэрокосмической отраслях; пластиковый корпус — для крупносерийного коммерческого производства.
Силовые устройства на основе GaN – Предназначены для радиолокационных передатчиков и систем радиоэлектронной борьбы, требующих “высокой выходной мощности”. Подложки GaN на SiC обладают превосходной теплопроводностью, что позволяет достичь высокой удельной мощности.
Заключительные слова
Радиочастотные чипы — это не что-то загадочное. Они просто максимальная оптимизация эффективности обработки электрических сигналов в рамках заданных физических ограничений – технологический процесс, материал, температура и частота. GaAs обеспечивает низкий уровень шума; GaN — высокую мощность; CMOS — низкую стоимость и высокую степень интеграции. У каждого из них есть свои ограничения; ни один из них не охватывает полностью возможности остальных. Понимание физической логики и инженерных ограничений на каждом уровне — физика устройств → архитектура схем → инженерное производство — превращает выбор компонентов из простого сравнения “у кого больше коэффициент усиления” в систематическое решение, основанное на компромиссе: “что для меня важнее: мощность или уровень шума, стоимость или производительность, степень интеграции или гибкость?”
