Chương 2 PHÂN TÍCH, THIẾT KẾ CÁC MODULE SUY HAO VÀ DỊCH PHA ĐA TẦNG CHO CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN SUB-6 GHz
3.3 Thiết kế mạch khuếch đại công suất phân tán 35W
3.3.1 Vấn đề về giới hạn đường dây truyền sóng
Theo lý thuyết của mạch phân tán được trình bày ở phần 3.2.1, lợi dụng các đặc điểm của đường dây truyền sóng để hấp thụ các trở và tụ ký sinh trong linh kiện tạo thành một đường dây nhân tạo có trở kháng đặc tính 𝑍𝑜, từ đó băng thông toàn mạch được mở rộng.
Hình 3-15 Mặt cắt các lớp trong công nghệ GaN 450nm
Nguyễn Hữu Luân
Trong thực tế thì các đặc điểm điện cảm L và điện dung C của đường dây bị giới hạn bởi công nghệ chế tạo. Hình 3-15 mô tả mặt cắt lớp các layer trong Công nghệ GaN 450nm.
Trong đó tương tự với các công nghệ III-V còn lại như GaAs, công nghệ GaN gồm phần substrate dày 100 𝜇m, có lớp kim loại backside ở mặt dưới làm GND. Ngoài ra công nghệ GaN còn hỗ trợ hai lớp kim loại 1 và 2 cách nhau 1.37 𝜇𝑚 dùng để đi đường tín hiệu, có độ dày lần lượt là 1.1 𝜇𝑚 và 4 𝜇𝑚. Bảng 3-4 bên dưới tóm tắt các giới hạn vật lý đối với hai kim loại Met1 và Met2.
Bảng 3-4 Giới hạn thực tế các đường kim loại của công nghệ GaN 450nm Layer Width
(𝜇𝑚)
Length (𝜇𝑚)
Thickness (𝜇𝑚)
Resistivity (ohm/square)
Current density limits (𝑚𝐴/𝜇𝑚)
Met1 5 5 1.1 0.025 6.15
Met2 6 6 4 0.005 23.44
Các giới hạn vật lý của đường dây về độ rộng tối thiểu, độ dày của đường dây và khoảng cách so với lớp substrate khiến đặc tính điện cảm L và điện dung C của đường dây bị giới hạn. Dẫn đến giới hạn về khả năng hấp thụ tối đa các ký sinh của linh kiện khuếch đại HEMT. Hình 3-16 bên dưới mô tả một trường hợp về khả năng hấp thụ các ký sinh của đường dây.
Rds Cds
Zout
W x L W x L
(a) (b)
With Zo = 42 , L=367.8 um; W=6 um
With Zo = 50 , L=976.2 um; W=6 um With Zo = 45 , L=716.2 um; W=6 um
With Zo = 42 , L=367.8 um; W=6 um
With Zo = 50 , L=976.2 um; W=6 um With Zo = 45 , L=716.2 um; W=6 um
Hình 3-16 Giới hạn hấp thụ ký sinh của đường dây truyền sóng. (a) trở kháng đặc tính 𝒁𝒐, (b) phase của trở kháng ngõ ra.
Các ký sinh 𝐶𝑑𝑠 và 𝑅𝑑𝑠 ứng với kích thước linh kiện là 4x200=800 𝜇𝑚 được lấy từ Bảng 3-3. Trong Hình 3-16 mô tả ba trường hợp ứng với ba trở kháng đặc tính khác nhau lần lượt là 42 Ω; 45 Ω và 50 Ω. Kích thước các đường dây tương ứng với các trở kháng đặc tính kể trên được mô tả trong Hình 3-16. Trong đó với thiết kế ứng với trở kháng đặc tính
Nguyễn Hữu Luân
42Ω, mạch hấp thụ hoàn toàn các ký sinh của linh kiện trong băng thông từ 0 → 8 𝐺𝐻𝑧. Khi tăng trở kháng đặc tính dần lên thì mạch không còn hấp thụ được các ký sinh của linh kiện và mất đi tính thuần trở. Để mô tả khả năng hấp thụ các ký sinh của linh kiện, Hình 3-16 (b) cho thấy đáp ứng phase của trở kháng ngõ ra 𝑍𝑜𝑢𝑡 theo tần số tăng dần khi thay đổi trở kháng đặc tính của mạch.
Giới hạn về khả năng hấp thụ các ký sinh của linh kiện ứng với trở kháng đặc tính cho trước dẫn đến khả năng phối hợp tải 50 Ω kém đi. Ngoài ra đường dây với trở kháng đặc tính 50Ω có kích thước 6 𝜇𝑚 x 976.2 𝜇𝑚 khó hiện thực hóa khi ghép nối nhiều tầng với nhau do giới hạn về chiều dài cho phép của bản layout là 4500 𝜇𝑚.
Zin
Zout
Zin
Zout
Hình 3-17 Testbench so sánh giữa hai cấu trúc sử dụng cuộn cảm và đường dây truyền sóng.
Hình 3-17 miêu tả testbench một tầng của mạch UDPA với hai phương án sử dụng cuộn cảm và đường dây truyền sóng. Trong đó kích thước linh kiện của hai cấu trúc được trình bày trong Bảng 3-5. Với D là đường kính của cuộn cảm, 𝑊 x 𝐿 lần lượt là độ rộng và chiều dài của đường dây.
Bảng 3-5 Mô tả kích thước vật lý của các linh kiện trong Hình 3-17
Method Drain-line Gate-line
Dùng cuộn cảm 𝐷 = 100.6𝜇𝑚 𝐿 = 0.44 𝑛𝐻 𝐷 = 142𝜇𝑚 𝐿 = 0.63 𝑛𝐻 Dùng đường dây 𝑊𝑑 = 6 𝜇𝑚 𝐿𝑑 = 500𝜇𝑚 𝑊𝑔 = 6 𝜇𝑚 𝐿𝑔 = 599.7𝜇𝑚
Kích thước khi dùng cuộn cảm tiết kiệm được không gian đáng kể khi so sánh với đường dây, đồng thời khả năng hoạt động của hai mạch tương tự nhau. Hình 3-18 cho thấy vùng tần số hoạt động của cả hai phương pháp đều đạt được 8 GHz, và đều cung cấp khả
Nguyễn Hữu Luân
năng hấp thụ tốt các ký sinh của linh kiện. Khi tần số hoạt đông lớn hơn 8 GHz, thì đường dây truyền sóng có đáp ứng pha của trở kháng ngõ ra lớn hơn khi dùng cuộn cảm, và dẫn đến output return loss (ORL) khi dùng cuộn cảm cho kết quả tốt hơn.
Using Tline Using inductor
Using Tline Using inductor Bandwidth = 8 GHz
Absorbed all parasitic elements
(a) (b)
Phase(Zin)
Phase(Zout)
IRL ORL
Hình 3-18 So sánh kết quả dùng đường dây truyền sóng và dùng cuộn cảm Dựa vào kết quả trên Hình 3-18, cuộn cảm được sử dụng để thiết kế các đường dây nhân tạo cho mạch khuếch đại phân tán. Ngoại trừ các vấn đề của cuộn cảm như tần số tự cộng hưởng, hệ số phẩm chất thì khả năng chịu dòng tối đa của cuộn cảm cần được xem xét trong quá trình thiết kế.