Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại phân bố sử dụng công nghệ MMIC

Bài viết Nghiên cứu thiết kế bộ khuếch đại phân bố sử dụng công nghệ MMIC trình bày phương pháp thiết kế một bộ khuếch đại phân bố sử dụng công nghệ MMIC ứng dụng cho thông tin vệ tinh, thông tin di động 5G. Bóng bán dẫn sử dụng là transistor hiệu ứng trường NP2500MS công nghệ 0.25 µm AlGaN/ GaN HEMT của hãng WIN Semiconductor, Đài Loan. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Nghiên cứu thiết kế khuếch đại phân bố sử dụng công nghệ MMIC Lê Bá Khánh Duy1, Nguyễn Mạnh Hùng1, Lương Duy Mạnh1, Đỗ Duy Nhất2 Khoa vô tuyến điện tử, Đại học Kỹ thuật Lê Q Đơn Phịng Hợp tác Quốc tế Quản lý lưu học sinh QS, Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn Email: khucsaohanhquan@gmail.com khuếch đại phân bố, thiết kế đạt dải tần làm việc từ DC - 20 GHz, hệ số khuếch đại từ 10 - 12 GHz với công suất Pdc 6.4 W, hệ số tạp âm từ - 14 dB tồn dải tần cơng tác Nhận thấy thiết kế bỏ qua bước phân tích, tính tốn thành phần nội Cgs, Cds bóng bán dẫn, cơng suất tiêu thụ chiều cao, hệ số tạp âm lớn, dải tần cơng tác cịn hạn chế Để đáp ứng yêu cầu ngày cao khuếch đại, khắc phục hạn chế nghiên cứu trước, báo đề xuất cách thiết kế DA băng rộng kết hợp sơ đồ mắc cascode song song tận dụng đường truyền cổng đường truyền máng nối tầng để hấp thụ thành phần nội tại, mở rộng băng thông với việc tối thiểu hệ số tạp âm, giảm công suất tiêu thụ chiều Tóm tắt—Trong báo này, chúng tơi trình bày phương pháp thiết kế khuếch đại phân bố sử dụng công nghệ MMIC ứng dụng cho thông tin vệ tinh, thông tin di động 5G Bóng bán dẫn sử dụng transistor hiệu ứng trường NP2500MS cơng nghệ 0.25 µm AlGaN/ GaN HEMT hãng WIN Semiconductor, Đài Loan Bài báo chủ động phân tích lý thuyết, tính tốn trị nội Cgs, Cds phụ thuộc vào tần số bóng NP2500MS, từ đề xuất mơ hình thiết kế để đạt mục tiêu thiết kế hệ số khuếch đại (HSKĐ) tối thiểu 13 dB dải tần từ GHz đến 29 GHz, hệ số tạp âm nhỏ dB, công suất tiêu thụ chiều nhỏ 4.8 W Chỉ tiêu khuếch đại đánh giá mức độ tín hiệu nhỏ tín hiệu lớn thơng qua phân tích lý thuyết mơ phần mềm Từ khóa— DA GaN HEMT, khuếch đại phân bố sử dụng transistor hiệu ứng trường, khuếch đại băng rộng MMIC Mơ hình linh kiện dùng thiết kế mạch nhà sản xuất (NSX) cung cấp nên linh kiện thụ động L C NSX cung cấp rời rạc số giá trị định gây khó khăn cho q trình tối ưu hóa tham số, hoạt động tần số siêu cao, ngồi việc hoạt động khơng ổn định tụ điện cuộn cảm việc bố trí linh kiện, mạch phân áp ảnh hưởng không nhỏ tới tiêu toàn mạch độ phẳng dải thông Đối với mạch phân áp chiều, việc sử dụng cuộn chặn để giảm thiểu ảnh hưởng xoay chiều tín hiệu ổn định nguồn cấp chiều cho mạch làm việc gặp khó khăn dải tần khuếch đại rộng, khơng thể chặn hết ảnh hưởng tín hiệu xoay chiều dải tần trường hợp mạch lý tưởng Trong phạm vi báo, nhóm trình bày phương pháp tính tốn thành phần nội Cgs, Cds thiết kế cụ thể từ phân áp chiều Vgs1, Vgs2, Vds cho mạch điện đến thiết kế đường cổng đường máng hấp thụ thành phần nội bóng bán dẫn I GIỚI THIỆU Các khuếch đại phân bố có nhiều ứng dụng quan trọng hệ thống thông tin vô tuyến như: khuếch đại băng rộng, thông tin vệ tinh, thông tin di động 5G Với đời cơng nghệ mạch tích hợp ngun khối (MMIC), mạch điện cao tần hệ ngày chế tạo với kích thước nhỏ gọn, cho cơng suất tiêu thụ thấp có độ tích hợp cao Với kích thước nhỏ gọn, băng thơng rộng, hệ số khuếch đại đủ lớn, khả tích hợp cao khuếch đại phân bố MMIC hồn tồn dễ dàng đáp ứng yêu cầu tiên tiến Các nghiên cứu gần [2]-[7] đề xuất đến số mơ hình thiết kế khuếch đại phân bố băng thơng rộng, nghiên cứu [2], [3], [7] sử dụng sơ đồ NDPA (Non-uniform Distributed Power Amplifier) có cơng suất chiều Pdc cịn lớn 15W, 15W, 16.8W để đạt dải tần công tác từ - 20 GHz, hệ số khuếch đại công suất đạt 10 - 13 dB Nghiên cứu [5], [6] sử dụng sơ đồ dual NDPA -stage NDPA đạt hệ số khuếch đại tốt hơn, dải thông tốt với cơng suất tiêu thụ chiều 9W 9.3W Ngồi nhóm nghiên cứu khảo sát nghiên cứu số [4], tác giả sử dụng sơ đồ cascode để thiết kế ISBN 978-604-80-7468-5 Phần lại báo tập trung vào giải thích kết mơ thu linh kiện thực tế MMIC để so sánh kết thiết kế với số báo nước phát hành, đánh giá khách quan kết nghiên cứu hướng nghiên cứu cho nghiên cứu tương tự 20 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) II XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN Hình Sơ đồ ngun lý tồn mạch phần tử lý tưởng tham số ma trận dẫn nạp [Y] xác định từ mơ hình tín hiệu nhỏ Hình [9] A Chọn sơ đồ điểm làm việc tĩnh cho transistor Nhóm đề tài phân tích, xây dựng mạch điện chạy mơ phần mềm Keysight ADS [12] Thông qua việc khảo sát đặc tuyến tĩnh đặc tuyến động từ mô hình bóng bán dẫn NSX cung cấp, bóng bán dẫn có dải tần hoạt động lên tới 50 GHz hoàn toàn phù hợp để lựa chọn thiết kế DA Để đảm bảo HSKĐ cao dải tần rộng, nhóm đề xuất sơ đồ cascode ghép tầng mơ tả Hình Bắt đầu trình thiết kế, trước tiên ta xác định điểm làm việc tĩnh điểm m1 m2 Hình Các FET thứ 01, 03, 05 …, 19 hình cấp điện áp cực cổng Vgs1 = -2 V, dòng tĩnh Ids1=35 mA (điểm m1) mục đích dịng Ids1 nhỏ để hệ số tạp âm nhỏ, hệ số khuếch đại đủ lớn với FET thứ 02, 04, 06 …, 20 chọn Vgs2=-2.4 V Ids2 = 37 mA (điểm m2), cao tầng thứ Vdsvà Ids nhằm mục đích nâng cao HSKĐ cải thiện dải thơng khuếch đại cần thiết kế Hình Đặc tuyến bóng GaN HEMT với giá trị Vgs khác B Thiết kế đường cổng đường máng đường truyền MMIC Đường cổng đường máng thiết kế đoạn đường truyền phù hợp để hấp thụ điện dung Cgs FET lẽ, hấp thụ điện dung Cds FET chẵn vào đường truyền, tạo thành cấu trúc lọc thông thấp LC lúc trở kháng đường truyền sau phân áp xấp xỉ 50 Ohm Đây nguyên nhân dẫn đến dải thông mở rộng mà không cần phối hợp trở kháng đầu vào đầu Sơ đồ nguyên lý đường máng đường cổng thể Hình 5a Hình 5b Các đường truyền MMIC Ld Lg sau phân áp chiều, hấp thụ thành phần nội bóng bán dẫn, trở kháng đường truyền xấp xỉ 50 Ohm dải tần công tác Lúc việc phối hợp trở kháng với thiết bị đầu cuối 50 Omh khuếch đại phân bố khơng cần thiết Để xác định kích thước đoạn đường truyền Lg, Ld, trước tiên cần xác định tham số nội Cgs Cds bóng bán dẫn dải tần Phương pháp xác định nhóm nghiên cứu sử dụng thơng qua kết đo đạc ma trận dẫn nạp [Y] bóng FET ISBN 978-604-80-7468-5 Hình Mơ hình tín hiệu nhỏ FET Y11 = Ri Cgs2  D Y12 = − jC gd Y21 = C  + j  s + Cgd  D  (1) (2) − j gme − jCgd + j Ri Cgs Y22 = g ds + j (Cds + C gd ) (3) (4) Trong D = +  2Cgs Ri2 Từ ta xác định giá trị nội FET 21 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Sơ đồ nguyên lý xác phần tử MMIC đường máng đường cổng thể hình 5a,b  Re ( Y11 ) ) Im ( Y11 ) − Cgd  (   (5) Cgs = 1+  ( Im ( Y ) − C )2   11 gd   Im ( Y22 ) − Cgd (6) Cds =  Kết điện dung Cgs Cds bóng bán dẫn thể Hình 4a,b Cds khoảng 0.10 đến 0.12 pF, Cgs khoảng 0.40 đến 0.50 pF Đối chiếu với số bóng FET cơng bố, kết có độ tin cậy cao [9] [10] [11] Sử dụng đoạn đường truyền L1 L2 Hình để tinh chỉnh pha đường máng đường cổng đảm bảo đồng pha, tín hiệu lớn Thiết kế gồm 02 tầng, tầng gồm 05 sơ đồ cascode để đảm bảo dải thông tham số khác khuếch đại Hình 5a Đường máng khuếch đại Hình 5b Đường cổng khuếch đại C Thiết kế khung RC song song linh kiện MMIC Bộ khuếch đại sử dụng 10 khung cộng hưởng RC song song thiết kế Hình Giá trị R, C tính tốn lựa chọn để chống tượng tự kích dải tần cao, ổn định mạch điện Tuy nhiên việc sử dụng nhiều khung RC ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu đầu vào, giảm HSKĐ đầu ra, lý khiến khuếch đại thiết kế sử dụng kiến trúc nối tầng để cải thiện HSKĐ đầu ra, đảm bảo độ ổn định dải tần rộng D Mạch phân áp tụ ghép tín hiệu Cp Việc cấp nguồn chiều cho transistor thực thông qua cuộn chặn Lch đoạn đường truyền trở kháng cao để đảm bảo dải tần công tác trở kháng mạch phân áp lớn so với trở kháng đường truyền, ngược lại tụ ghép Cp, tần số 20 GHz, trở kháng tụ điện nhỏ so với trở kháng đường truyền Sơ đồ mạch phân áp linh kiện MMIC thể Hình 7a, b, c Trong thiết kế, phân áp chiều Vgs1 = -2V, Vgs2 = -0.5 V, Vds = 11V Các mạch phân áp Vgs1, Vds kết hợp với kết hợp với điện trở tải Rg Rd dễ dàng điều chỉnh đường truyền phụ nhằm giảm hệ số phản xạ đầu vào đầu thiết kế, ổn định mạch điện Tín hiệu RF in ban đầu từ đầu vào tầng đường cổng từ trái qua phải hấp thụ để khuếch đại dần qua FET 01, 03, …09 thông qua hỗ cảm gm FET, tín hiệu RF dư khơng hấp thụ hết Hình 4a Điện dung nội Cds FET dải tần cơng tác đến 30 GHz Hình 4b Điện dung nội Cgs FET dải tần công tác đến 30 GHz Pozar [8] rằng: Lg Z (7) Zg = = Y Cg + Cgs / g Zd = Ld Z = Y Cd + Cds / (8) d Bằng phương pháp xác định kích thước đoạn đường truyền Lg, Ld Hình để hấp thụ tham số nội xác định FET ISBN 978-604-80-7468-5 22 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Hình 7c Phân áp chiều Vds g hệ số suy hao pha đường cổng  d hệ số suy hao pha đường máng g độ dài đoạn đường truyền Lg d độ dài đoạn đường truyền Ld Điện trở Rd nằm bên trái đường máng thiết kế mạch phân áp Vds có tác dụng hấp thụ triệt tiêu tín hiệu khuếch đại nghịch đường máng Tương tự cho tầng khuếch đại Sơ đồ khuếch đại phân bố sau layout hình 8, có kích thước nhỏ gọn 6.2mm x 3.7mm Hình Khung RC song song III MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Hình thể kết mơ tiêu quan trọng như: HSKĐ toàn dải tần ứng với sơ đồ schematic EM Hình 7a Phân áp chiều Vgs1 Hình 7b Phân áp chiều Vgs2 Hình HSKĐ khuếch đại DA MIMIC điện trở Rg tầng hấp thụ hết Tương tự tầng 2, tín hiệu RF IN2 (RF OUT1) FET 11, 13,…19 hấp thụ khuếch đại, tín hiệu khơng hấp thụ hết điện trở mắc cuối đường truyền hấp thụ Tại tầng tín hiệu sau khuếch đại đưa đến đường máng gồm tín hiệu thuận tín hiệu nghịch Các tín hiệu thuận cộng dần đưa đến đầu RF OUT1 đường máng đường cổng thỏa mãn điều kiện đồng pha [8]  g g = d d (9) ISBN 978-604-80-7468-5 Tại 3.4 GHz HSKĐ đạt 25 dB Từ 10 - 29 GHz HSKĐ đạt 16 ± dB Kết mô từ điện trường EM phản ánh phương pháp phân tích, tính tốn giá trị nội mơ hình thiết kế phù hợp, dải tần công tác, đường máng đường cổng hấp thụ thành phần nội Cgs Cds bóng bán dẫn, băng thơng mở rộng Phản xạ đầu vào đâu thể hình 10 S11 tốt tần số 11 GHz đạt -35dB, S22 tốt đạt -32dB tần số 16 GHz 25.5 GHz 23 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2022) Hình Layout tồn mạch DA MMIC Hình 10 Phản hồi đầu vào đầu khuếch đại Hình 12 Cơng suất Pout khuếch đại Hình 11 Hệ số tạp âm (NF) khuếch đại Hình 13 Hệ số ổn định khuếch đại Việc sử dụng transistor hiệu ứng trường có hệ số tạp âm nhỏ, sử dụng đoạn đường truyền thay tụ điện cuộn cảm, phân áp chiều dòng Ids nhỏ, hệ số tạp âm Hình 11, từ GHz-25 GHz hệ số tạp âm đạt 2.5 -5 dB, từ 25 - 29 GHz đạt 5-7 dB Toàn dải thông nhỏ dB đạt yêu cầu toán thiết kế Ta thấy điểm nén dB, hệ số khuếch đại công suất (HSKĐCS) 17.15 dB công suất 16.55 dBm Trong dải tần công tác từ đến 29 GHz hệ số ổn định lớn 1, đảm bảo tính ổn định không điều kiện DA thiết kế, công suất chiều Pdc đạt 4.78W ISBN 978-604-80-7468-5 Kết mô cho thấy khuếch đại đạt mục tiêu theo hướng thiết kế So sánh với số thiết kế công nghệ [2], [3], [4], [7] Bảng cho thấy DA MMIC nhóm nghiên cứu đề xuất có băng thơng rộng đáng kể so với nghiên cứu này, hệ số tạp âm tốt hơn, HSKĐ toàn dải tần công tác đạt 16 ± dB cao Kết nhóm nghiên cứu sử dụng sơ đồ cascode nối tầng, điểm làm việc tĩnh dòng Ids nhỏ, với việc tính tốn thành phần nội bóng FET tối ưu đoạn đường truyền phù hợp để thay tụ điện cuộn cảm 24 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) IV KẾT LUẬN Trong báo này, chúng tơi trình bày phương pháp thiết kế khuếch đại DA công nghệ MMIC phương pháp phân tích, tính tốn thành phần nội Cgs, Cds bóng bán dẫn transistor hiệu ứng trường NP2500MS, xây dựng sơ đồ cascode nối tầng để đạt dải tần làm việc từ GHz đến 29 GHz, HSKĐ 16 ± dB, Pdc nhỏ 5W, S11 tốt đạt -35dB, S22 tốt đạt -32dB, mạch ổn định không điều kiện tồn dải tần Mơ cấp độ tín hiệu nhỏ tín hiệu lớn lớn cho kết tốt, so sánh với báo khác có công nghệ MMIC tham khảo cho thấy DA đề xuất cho hệ số khuếch đại cao hơn, hệ số tạp âm thấp hơn, công suất tiêu thụ Pdc cải thiện rõ rệt, phản xạ S11, S22 đầu vào đầu tốt Tuy nhiên nhược điểm DA đề xuất cịn có S22 lớn từ tần số 29 GHz trở lên LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ phần công ty TNHH GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỆT Bảng SO SÁNH KẾT QUẢ THIẾT KẾ VỚI MỘT SỐ BÀI BÁO NƯỚC NGOÀI Tham khảo [2] [3] [4] [5] [6] [7] DA đề xuất Dải tần làm việc 1-18 GHz 1.5-17 GHz DC-20 8-42 GHz 16 – 40 GHz 2- 20 GHz 2-29 GHz Sơ đồ NDPA topology NDPA topology Cascode Dual-stage NDPA 3-stage NDPA NDPA topology DualCascode - - 5-14 dB - - - 5-8 dB 10-12 dB 10-13 dB 10-12 dB 23 - 25 dB 0.25 μm GaN/ SiC HEMT 0.2µm AlGaN/GaN 10 ± dB 0.25 µm AlGaN/ GaN HEMT 16 ± dB 0.25 μm GaN/ SiC HEMT 14 ± dB 100nm AlGaN/GaN T-gate HEMTs Hệ số tạp âm (dB) HSKĐ Công nghệ [2] [3] [4] [5] [6] 0.25 µm AlGaN/ GaN HEMT P1dB - - 27 dBm - - - 16.55 dBm Pdc (W) 15 W 15 W 6.4 W 9W 9.33 W 16.8 W 4.78 W Diện tích [1] 0.15μm Gallium Nitride 10 mm2 15.35 mm2 - 6.58 15.6 mm2 15.2 mm2 22.9 mm2 International Microwave Symposium (IMS), 2016, pp 1-4, doi: 10.1109/MWSYM.2016.7540019 [7] Dong-Hwan Shin, In-Bok Yom, “A DecadeBandwidth Distributed Power Amplifier MMIC Using 0.25 μm GaN HEMT Technology” journal of electromagnetic enginneering and science, vol.17, NO.4, pp 178-180, Oct 2017 [8] David M Pozar, “Microwave Engineering,” John Wiley & Sons Inc, pp 588-593, 2011 [9] M Berroth and R Bosch, "Broad-band determination of the FET small-signal equivalent circuit," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 38, no 7, pp 891-895, July 1990, doi: 10.1109/22.55781 [10] Yeong-Lin Lai and Kuo-Hua Hsu, "A new pinchedoff cold-FET method to determine parasitic capacitances of FET equivalent circuits," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol 49, no 8, pp 1410-1418, Aug 2001, doi: 10.1109/22.939921 [11] Olvera Cervantes, J L., Medina Monroy, J L., Chávez Pérez, R A., & Velázquez Ventura, A (2008) A new analytical method to extract the smallsignal equivalent circuit of high frequency FET transistors Microwave and Optical Technology Letters, 50(2), 453–457 doi:10.1002/mop.23130 [12]URL,https://www.keysight.com/zz/en/products/softwa re/-pathwave-advanced-design-system.html TÀI LIỆU THAM KHẢO Narendra Kumar, Andrei Grebennikov “Distributed Power Amplifiers for RF and Microwave Communications” pp 308-325 J Gassmann, P Watson, L Kehias and G Henry, "Wideband, High-Efficiency GaN Power Amplifiers Utilizing a Non-Uniform Distributed Topology," 2007 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, 2007, pp 615-618, doi: 10.1109/MWSYM.2007.379976 Campbell, C., Lee, C., Williams, V., Kao, M.-Y., Tserng, H.-Q., Saunier, P., & Balisteri, T (2009) A Wideband Power Amplifier MMIC Utilizing GaN on SiC HEMT Technology IEEE Journal of Solid-State Circuits, 44(10), 2640–2647 doi:10.1109/jssc.2009.2026824 K W Kobayashi et al., "Multi-decade GaN HEMT Cascode-distributed power amplifier with baseband performance," 2009 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium, 2009, pp 369-372, doi: 10.1109/RFIC.2009.5135560 P Dennler, D Schwantuschke, R Quay and O Ambacher, "8–42 GHz GaN non-uniform distributed power amplifier MMICs in microstrip technology," 2012 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium Digest, 2012, pp 1-3, doi: 10.1109 / MWSYM.2012 6259604 C F Campbell, S Nayak, Ming-Yih Kao and Shuoqi Chen, "Design and performance of 16–40GHz GaN distributed power amplifier MMICs utilizing an advanced 0.15µm GaN process," 2016 IEEE MTT-S ISBN 978-604-80-7468-5 mm2 25 ... nằm bên trái đường máng thiết kế mạch phân áp Vds có tác dụng hấp thụ triệt tiêu tín hiệu khuếch đại nghịch đường máng Tương tự cho tầng khuếch đại Sơ đồ khuếch đại phân bố sau layout hình 8, có... khơng điều kiện DA thiết kế, công suất chiều Pdc đạt 4.78W ISBN 978-604-80-7468-5 Kết mô cho thấy khuếch đại đạt mục tiêu theo hướng thiết kế So sánh với số thiết kế công nghệ [2], [3], [4],... cho thấy DA MMIC nhóm nghiên cứu đề xuất có băng thông rộng đáng kể so với nghiên cứu này, hệ số tạp âm tốt hơn, HSKĐ toàn dải tần công tác đạt 16 ± dB cao Kết nhóm nghiên cứu sử dụng sơ đồ cascode