Jon Shumaker, Sumitomo Electric
Device Innovations
HEMT GaN 30W של Sumitomo נבנה בתצורה לא-מתואמת פנימית. ע”י כיוון מעבדתי ניתן לייצר מגבר הפועל בתחום 1-2.5GHz. המודל מצביע על הרכיב כמסוגל לפעול בצורה שימושית בתחום 0.1-3GHz, ובכך נוצר תכנון מרובה-אוקטבות. ההתקן מוגדר בדרגה A-B.הנתונים מהתכנון המושג כנגד תדר ורמת הספק מוצא מדווחים במאמר, ביחד עם תוצאות מדוגמות (modeled).
מאפייני המגבר
• רוחב-פס 1-2.5GHz
• Pout מעל 30Wב-P-3 dB
• שבח ליניארי: 13 dB
• שיטוח השבח: 3 dB
• דרגת פעולה: AB
• יעילות מוספת בהספק: מ-30% עד >60% ב-Pout>30 W הספק ממוצע.
התקני GaN הם מהפכניים בשל ה-Cds המאוד נמוך שלהם ועכבות ההתאמה היחסית גבוהות.אחד מההתקנים הקטנים יותר, ה-EGNB030MK , מסוגל לפעול עד ל-3GHz עם רוחב-פס ללא תקדים. תוצאות הבדיקה מוצגות כאן והדגם הלא-ליניארי משמש לקביעת יכולת רוחב-הפס הפעיל של ההתקן.
מטרות התכנון
משפחת התקניGaN HEMT חדשה בעל Pout של עד 180W ומתח פריצה של עד 350V פותחה כדי לפעול במתחי קולט של 50V או יותר. התקנים אלה הם אידיאליים לפעולה עמוק בדרגת AB לשם יעילות-יתר. לטכנולוגיה החדשה צפיפות זרם והספק ללא תקדים, המאפשרת להגיע לאותו ההספק בעזרת התקן יותר קטן משמעותית. דבר זה גורם לקיבול פרזיטי הרבה יותר נמוך, היוצר רוחב-פס משמעותי רחב יותר מאשר כל התקן מצב מוצק אחר. שיקולים תרמיים מראים שצפיפות ההספק הגבוהה יותר מקוזזת על-ידי התנגדות תרמית הרבה יותר נמוכה וקשיחות המאפשרת פעולה בטוחה בטמפרטורות יותר גבוהות מאשר GaAs או סיליקון.
תאור ואפיון ההתקן
ה-EGNB030MK הוא התקן בתחום S מוארק ללא תאום המשתמש בשבב GaN יחיד לשם יעילות וליניאריות טובים. השבב וחיבורי המבוא והמוצא מזוודים במארז MK.
מודלים לא-ליניאריים
המודלים המקוריים התבססו על מודלים לא-ליניאריים, EEFET ב-ADS ו-EEHEMT ב-AWR. שהתגלו כמוגבלים בשימושיות. הם לא חזו היטב ביצועים והיו להם בעיות בהתכנסות.
כדי להתגבר על חסרונות אלה, יוצרו גרסאות חדשות במאמץ משותף בין Auriga ו-Sumitomo . Auriga פיתחה גרסה מיוחדת של דגם Angelov כדי להתאים לחלק מהשינויים שנתגלו בפריטי GaN במתח וזרם הממתח. הדגם שונה כך שזרם השער והקולט בתנאי העמסה קשים ביותר תואמים עתה לנתונים האמיתיים.
Sumitomo נטלה לאחר מכן את דגם ה-Auriga עבור התא היחיד, והשתמשה בו כדי להתאים את פרמטרי ההתקן למשטח שמחוץ להתקן שם יימצא המעגל המודפס בתכנונים המעשיים.
לגבי תכנוני ממתח של דרגת AB רגילים, דגם זה יתפקד היטב. למעשה, הדגמים יהיו שימושיים ברוב תחום הממתח והתדר, אם כי הם לא נבדקו בערכים הקיצוניים של ממתח ובתדרים גבוהים או נמוכים. ניתן להשיג דגמים הן ב-AWR והן ב-ADS
תכנון המגבר
חומר הכרטיס
חומר הכרטיס אשר נבחר היה חומר יפני דומה ל-Rogers RT/Duroid 4350 בעל עובי של 0.025” (0.6mm).Rogers 4003 הוא חומר באיכות טובה יותר, הרבה יותר יציב בממדים עבור דרישות מדויקות ומתאים להחלפה בתכנון ללא תוספת עלות גבוהה.
טופולוגיית מעגל הממתח DC
מעגל ממתח השער
נגד שער Rg מחובר בטור לשם הגנה ויציבות של השער. ערכו הוא 15Ω עבור ה-EGNB030MK . הוא ממוקם במבוא קו התמסורת המזין את השער כמתואר באיור 2, וניתן לפצלו כדי שיעבוד עם סכמות הזנה יותר אקזוטיות כמו מגברים אופרציונליים. Rg מוגבל מטעמי יציבות ל7.5-30Ω עכבת שער כוללת בתדרים נמוכים. הזנת השער מכילה סליל של 27nH, כך שאורך הקו איננו חשוב. הקו מקוצר בקצהו על-ידי קבל RF בעל תדר תהודה טורי מעל 3GHz . עובי קו של 0.5mm הוא גבול מעשי כדי להשיג צימוד טוב של המעגל, הגורם לעכבת קו של 91Ω. בתכנון זה, קבלי מעקף משמשים מחוץ לגדם רבע הגל בלבד (3). שים לב ששימוש בערכים גבוהים של קיבול השער מונע שימוש בשער לצורכי הפעלת המגבר, כמו גם הזן ההשראתי.
מעגל ממתח הקולט:
תכנון ראשוני
המעגל מורכב מקו מיקרו-סטריפ המחובר בקצהו האחד למעגל המוצא ובקצה הנגדי מקוצר על-ידי קבל בעל תדר תהודה טורית מעל תדר הפעולה. הקו הוא בעל רבע-גל אי-שם בתחום. לקו עכבה בינונית מאחר שהוא צריך לשאת עד 3A זרם קולט מרבי כאשר ההתקן נמצא בדחיסה. בתכנון זה קו ברוחב 1mm משמש עם עכבת קו של 68Ω כפשרה בין שמירה על עכבה גבוהה ויכולת להוביל את זרם ה-DC. רוחב קו של 1mm יעמוד ב-17A, או 158W של הספק מיקרוגל, או צירוף כלשהו של שניהם. שים לב שבדרך כלל הזרם הוא הגורם לכשלים בקו.
קבלי חסימת DC
בדוגמת תכנון זו, קבלי חסימה של 20 pF שימשו להספקת שוויון (equalization) שבח בתדרים נמוכים. דבר זה גם מנחית תדרים מאוד נמוכים. מבחר קבלי חסימה בעלי ערך נמוך גם תורם לשיפוע עולה בהיענות המבטל את השיפוע היורד של 6dB/octave של ההתקן.
דיון על רוחב-פס יותר רחב
אם כי המעגל הוא רחב-פס, הוא לא מתקרב לביצועים הפוטנציאליים של ההתקן. להלן מספר הערות על העקרונות הכלליים של עבודה ברוחב-פס רחב יותר.
למעגל מקדם הקולט של מגבר רחב-פס צריך להיות עכבה גבוהה בכל תחום הפעולה שלו. שיקול נוסף הוא כמה רחב-פס צריך להיות המגבר. סלילים מלופפי-אוויר כגון הסלילים הקפיציים של Coilcraft בעלי ליפופים מתאימים כדי ליצור עכבה גבוהה יכולים לשמש להרחבת רוחב-הפס. לשם פעולה בפס עוד יותר רחב, ניתן להחליפם בסלילים קוניים, לפחות במבוא. הגבול המעשי עבור סלילים מלופפי-אוויר מסחריים הוא כ-A5. כאן יש יתרון ל-GaN, מאחר שהמגבר בעל ההספק הגבוה ביותר צורך זרם זה בקירוב בהספק מבוא מלא. במקרה זה, זרם ה-DC המרבי יהיה כ-A3, המחייב את הסלילים הגדולים ביותר. לדוגמה, ערך של 6-9nH יספק ביצועים טובים בתחום ה-1-2GHz, מבלי לגרום לתהודה.
לשם הרחבה לתדר הנמוך ביותר, ניתן להשתמש בעומסי פֵריט כדי להגדיל את ההשראות בתדרים נמוכים.
חסימת DC ביישומי פס יותר רחב
בשיקול אודות הרחבת תדר הפעולה, קבלי חסימת ה-DC הם קריטיים. ממדי מארז קטנים מגבילים את ההשראות הפרזיטית. קבלי 0603 0,01µF או 0.1 µF רגילים עובדים היטב מהקצה הנמוך של מערכת המדידה 8510 של 50MHz עד כ-3GHz ללא מודים משמעותיים. הרחבת התדר נמוך יותר על-יד שימוש בפריט זה יוביל לקראת השימוש במשוב שלילי כדי לשלוט על עליית השבח בתדרים הנמוכים.
פס יותר רחב בבקרת השבח
פתרון אפשרי מתחת ל-1GHz הוא השימוש במשוב שלילי. דרוש קבל חסימה כדי למנוע מהמתח הגבוה בקולט ליצור בעיות בשער. קבל חסימה 0603 של 0.1µF עשוי לפעול כאן היטב. ערכי הנגדים צריכים להיות מסדר גודל של 200-400Ω כדי למזער את העומס על מעגל המוצא. בנוסף, חייב להשתמש בסוג הנכון של נגד (RLR או תרכובת פחם) כדי לפעול בתדרי RF.
השראות דרושה כדי לנתק את המשוב בתדרים בהם לא רצוי לאבד שבח, החל מ-800MHz עבור רכיב זה. השראות חוט הנגד עשויה להוציא את המשוב מהמעגל בתדרים גבוהים יותר, אך יש למדל אותה בקפידה תוך שימוש בערכים מדודים עבור הרכיבים.
תכנון המעגל
מתודולוגיית התכנון
מדובר במגבר מכוון במעבדה המשתמש בתבנית תקנית של מגבר. בתכנונים כאלה, מתחילים על-ידי התאמת פרמטרי ה-S. המגבר הנוצר מכוון לאחר מכן במוצא להספק. לאחר צעד זה, המבוא מכוון מחדש להפסד חזרה כדי להשיג את השבח הטוב ביותר האפשרי.
בעיה אחת היא בכך, שבגובה כרטיס נמוך יחסית לרוחב, ובמיוחד עם דיאלקטרי גבוה, למשוואות קו התמסורת יהיו מספר מודים. זאת בשל יחס הרוחב לגובה של המעגל המעשי העובר את גבולות המשוואות.
למגבר מעשי יש יתרון של פתרון עבור כל המודים בו-זמנית. כך, אפשר בנקל להסתכל על התוצאות ולראות אם המודים אכן משפיעים על החלק.
תכנון המגבר
מעגל המגבר המכוון במעבדה מורכב ממעגלי מבוא ומוצא וממעגלי מעקף. תת-קבוצה של קבלי ביטול הצימוד חוברה למעגלי ממתח השער והקולט. ערכי קבלים מרובים נוטים לפעול הדדית ולגרום לתהודות, שקשה לטפל בהן במסגרת יישום רחב-פס. כך שמומלץ מגוון מזערי של קבלי מעקף.
הממדים הפנימיים של המגבר (כרטיסים והתקן) לא היו אופטימאליים אלא ממוקמים במתקן Sumitomo תקני בגודל 115×63 ממ2.
כוונון מעגל האותות הגדולים
ההתקן EGNB030MK כוונן להספק. ראה איור 9 עבור תכנון מלא מכוון עם רשימת חלקים. איור 1 בעמוד 1 מראה צילום של המגבר המכוונן.
שים לב שההתאמה המיטבית כדי לקבל Pout ויעילות הספק מוספת, add, עם אות CW שונה במקצת מההתאמה המיטבית עבור ביצועי ACPR ו-IM3 עם אות W-CDMA דו-צלילי.
מודל – רוחב פס שימושי
להתקן יש רוחב-פס שבח שימושי החל מתדרים מאוד נמוכים עד 3GHz. ההגבלה היא ברכיבים הנוספים כגון קבלי הממתח/החסימה והשראויות השער/הקולט. קבלי ממתח/חסימה של 20 pF מכניסים תהודה בכ-600MHz דבר הפוסל את השבח מתחת ל-800MHz . ל-.01µF roll-off מתחת ל-100MHz, דבר המונע שימוש בשבח מעל 200MHz.
ניתן להשתמש במשוב כדי לשטח את השבח מתחת ל-500MHz, אולם ההשראות של פתרון דיסקרטי פוסלת את השימוש שלו מעל 800MHz.
מגבלות הממתח ופיזור ההספק
תהליך ה-GaN של Sumitomo פותח במעבדות Fujitsu במטרה להרכיב טרנזיסטורי GaN על מצעי קרביד הסיליקון (SiC). להתקן הנוצר מוליכות תרמית מצוינת כמעט כמו ל-SiC, שהיא פי ארבעה גבוהה יותר מאשר GaAs. ההתקן קטן יותר ארבעה מונים עבור אותו מוצא הספק בהשוואה להתקן GaAs. לכן, ההתנגדות התרמית הנובעת דומה מאוד להתנגדות התרמית של התקן GaAs בעל הספק זהה.
תהליך ה-GaN מסוגל לפעול בטמפרטורות גבוהות יותר מאשר GaAs. כאשר מצרפים את היעילות הגבוהה יותר והיכולת לממתח קרוב יותר לפעולה בסוג B, ל-GaN יתרונות ברורים. דף הנתונים של EGNB030MK נותן את הערכים המרביים עבור טמפרטורת אוגן Tf, של 25oC ונותן גם Vds מומלץ, Igs מרבי ומזערי, וטמפרטורת ערוץ Tch(max) עבור פעולה אמינה. ניתן לחשב את Tch מתוך ההתנגדות התרמית של ההתקן הנתונה על-ידי דף הנתונים בעזרת הנוסחה:
Tch=Tf+Rth*( Vds*Ids+Pin-Pout).
ההתנגדות התרמית של GaN משתנה כפונקציה של הטמפרטורה מעט יותר מאשר GaAs. אם כן, ההתנגדות התרמית הנתונה בדף הנתונים תקפה רק עבור תנאי הבדיקה של דף הנתונים, ה-Rth2 ניתן לחישוב בעזרת המתודולוגיה המתוארת בגיליון Microwave & RF(2) מאוקטובר 2000 (1). עד שניתן יהיה לתקן את המתודולוגיה עבור GaN, אפשר להשתמש פשוט בשיטת התיקון של GaAs כדי לקבל אומדן משופר עבור העלייה התרמית של ה-GaN.
עבור תנאי פעולה מוגדרים, Tch ניתן להגדרה וה-MTTF של ההתקן ניתן לחישוב.
תוצאות המדידות
הביצועים המושגים על-ידי התקן ה-EGNB030MK תוך שימוש במעגל מאיור 6 מוצגים בגרפים 4 ו-5.
השוואה בין התוצאות המדוגמות
הדגם הלא-ליניארי של ה-EGNB030MK הותאם למעגל המכוון במעבדה. תוצאות של פרמטרי S היו כמעט זהות בתחום התדרים. איור 7 מראה את השבח בשלושה מקרים. הראשון עם תהודת התדר הגבוה ביותר בקצה הנמוך, בערך ב-600MHz, תואם לחלק אשר נבנה עם קבלי חסימה/עקיפה של 20 pF. אם מגדילים את הערך הזה ל-100 pF מפחיתים את התהודה בקצה הנמוך ל-300MHz. שימוש בקבל חסימה/עקיפה 0603 של 0.1 µF מוריד את התהודה בקצה התחתון מתחת ל-100MHz. עם משוב, תצורה זו פעלה מ-100MHz עד 3GHz.
המקרה של 20 pF הורץ בהספק, שבח ו-PAE מ-0.5-2.5GHz. התוצאות מוצגות באיורים 8, 9 ו-10.
איור 8 מראה שלחלק יש יותר מ-30W הספק מ-0.5-2.5GHz ויותר מ-40W הספק מ-11-2.5GHz.
איור 9 מראה את צורות השבח והדחיסה. החלק איננו כה שטוח בדגם כמו החלק הבנוי. דבר זה מרמז שהדגם איננו כה מדויק עבור קווי התמסורת הרחבים מאוד.
איור 10 מראה את ה-PAE. מאחר שהחלק כוונן להספק, רק לתדר אחד יש PAE מצוין (מעל 60%). נקודת ה-500MHz היא מתחת ל-30% PAE, כל יתר התדרים הם קרובים ל-40% PAE. דבר זה ניתן יהיה לשפר בעבודה נוספת, כנראה על חשבון ביצועי ההספק והשבח. התאום המיטבי עבור PAE והתאום המיטבי עבור הספק נוטים להיות שונים בתלות בתדר.
סיכום
התקן ה-EGNB030MK הוא התקן שימושי עבור דרגות מוצא מאוד רחבות-פס והספק גבוה. מגבר מוארק המתוכנן על-בסיס התקן זה הציג ביצועים מצוינים. השבח היה 12 dB מזערי עם כ-3.5 dB שטחיות שיא-לשיא. ביצועי ההספק הם מצוינים, ומספקים מעל 30W ב-P-3dB מ-1-2.5GHz. המודל מראה שביצועים אלה ניתנים להרחבה לתחום רחב יותר, כ-0.1-3GHz.
*הכתבה נמסרה באדיבות חברת SUMMIT
