РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 49, № 1, с. 115-122
НОВЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЭЛЕМЕНТЫ
УДК 621.375.4
КРИОГЕННЫЙ МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ 8-МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА © 2004 г. В. В. Краснов, В. М. Миннебаев
Поступила в редакцию 10.06.2003 г.
Представлены результаты проектирования и изготовления охлаждаемых малошумящих усилителей восьмимиллиметрового диапазона длин волн на базе дискретных полевых транзисторов и монолитных интегральных схем, а также сравнение их сверхвысокочастотных характеристик, надежности и воспроизводимости устройств на их основе.
ВВЕДЕНИЕ
Целью данной работы являлось создание ма-лошумящего усилителя (МШУ) восьмимиллиметрового (8-мм) диапазона, работающего при температуре 20 К, для использования в приемниках РТ-22 ФИАН, охлаждаемых микрокриогенной системой замкнутого цикла водородного уровня.
Работа проводилась в рамках программы модернизации приемного комплекса РТ-22 ФИАН. Шумовые характеристики находящихся в эксплуатации с начала 90-х годов МШУ [1], изготовленных на основе дискретных GaAs полевых транзисторов (ПТ, field effect transistor - FET), уже не отвечают современным требованиям к приемной аппаратуре радиоастрономического комплекса. Превосходство в шумовых и усилительных характеристиках транзисторов с высокой подвижностью электронов (high electron mobility transistor -НЕМТ) по сравнению с FET неоспоримо. Именно в связи с этим HEMT практически вытеснили FET в приемных устройствах дециметрового и миллиметрового диапазонов.
На первом этапе модернизации приемного комплекса РТ-22 ФИАН авторами был разработан и введен в эксплуатацию охлаждаемый МШУ 13-мм диапазона, изготовленный на базе кристаллов дискретных арсенидгаллиевых НЕМТ ЕС2612 [2]. Второй этап модернизации предполагал создание охлаждаемого МШУ на НЕМТ 8-мм диапазона. На заключительном этапе модернизации будет осуществлен переход к многоканальному приему информации при спектральных наблюдениях в 8-мм диапазоне.
1. СРАВНЕНИЕ ДИСКРЕТНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНСЗИСТОРОВ И МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ
Выбор элементной базы миллиметрового диапазона в достаточной степени узок и монополизирован незначительным числом предприятий, спо-
собных серийно производить продукцию столь высокого технологического уровня.
Кроме того, последнее десятилетие характеризуется все более широким использованием монолитных интегральных схем (МИС) в миллиметровом диапазоне. Доступная на интернетовских сайтах информация о лучших из серийно выпускаемых кристаллов монолитных интегральных схем малошумящих усилителей 8-мм диапазона, предназначенных для использования в составе герметизированной приемной аппаратуры приведена в таблице.
Несмотря на значительную степень интеграции активных и пассивных элементов в составе кристалла МИС, говорить о легкости их применения в составе конструктивно законченного усилителя неправомерно. Включение МИС в волновод-ный тракт требует создания:
- во-первых, конструкций, позволяющих обеспечить передачу сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала от волновода соответствующего сечения к кристаллу МИС (например, волноводно-микро-полосковые переходы) - что в свою очередь приводит к дополнительным потерям СВЧ сигнала;
- во-вторых, соответствующих цепей фильтрации и подачи питания (а соответственно, и вторичных источников питания);
- в-третьих, цепей согласования входных и выходных импедансов кристалла МИС с импедансом СВЧ-тракта; эти цепи необходимы в виду того, что кристаллы МИС обладают импедансами, отличающимися (порой значительно) от импедансов стандартных СвЧ-трактов.
Кроме того, фирмы-производители не гарантируют не только сохраняемости СВЧ-характерис-тик, но и работоспособности МИС при охлаждении до криогенных температур (при этом известно, что эквивалентная схема транзистора изменяется при криотемпературах - следовательно, как минимум, изменится форма АЧХ, а скорее всего, возможно самовозбуждение на более низких часто-
115
8*
Монолитные интегральные схемы МШУ 8-мм диапазона (Гокр = 300 К)
Фирма-изготовитель Наименование Диапазон рабочих частот, ГГц Кш, дБ Ky, ДБ ДКу, дБ Р_1дБ, дБм Количество транзисторов, шт.
UMS CHA2091-99F 36. .40 3.0 14 ± 0.5 12 2
CHA2094b-99F 36. .40 3.0 21 ± 1.5 8 3
CHA2394-99F 36. .40 2.5 21 ± 1.5 8 3
CHA2391-99F 36. .40 2.5 14 ±0.5 12 2
Hittite HMC282 36. 40 3.8 27 - 9 4
Agilent HMMC-5038 37. 40 4.8-5.5 23 ±0.5 12 4
HMMC-5040 37. 40 6-8 22 ± 1.5 18 4
Velocium ALH386 37. 43 3.0 24 ±3.0 12 3
(TRW) ALH369-0 24. 40 2.2 17 ±4.5 11 4
ALH376-0 35. 40 2.0 16 ±3.5 6 6
Fujitsu FMM5704X 36. 40 2.5 18 ±1.5 9 3
TriQuint TGA4508-EPU 37. 42 2.7 13.5 ±0.5 12 3
TGA4511-EPU 30. 38 3.0 17 ±1.5 15 6
Примечание. Фирмы-изготовители гарантируют работоспособность данных МИС в диапазоне температур -40...+55°С (либо -55°С...+125°С).
тах вследствие значительной крутизны транзистора). Таким образом, использование МИС в составе охлаждаемых МШУ не представлялось возможным без проведения дополнительных исследований.
В качестве отправной точки для сравнения GaAs дискретных ПТ и МИС необходимо оценить преимущества и недостатки интегральных схем мало-шумящих сверхвысокочастотных усилителей, изготовленных на основе МИС и на базе дискретных ПТ и пассивных микрополосковых согласующих цепей.
А. Характеристики активного элемента (транзистора)
Технология изготовления дискретных ПТ, использованных в гибридных интегральных схемах (ГИС), и микротранзисторов, встраиваемых в усилитель МИС, не имеет отличия, и с большой степенью вероятности, это приводит к одной и той же ожидаемой транзисторной характеристике. До некоторой степени шумовые характеристики при криотемпературах могут быть коррелированны между отдельными дискретными ПТ или микротранзисторами МИС, изготовленными на одной технологической пластине. Наилучшие характеристики транзисторов можно получить при разбраковке большого количества пластин и выбора так называемой "золотой" пластины с наилучшими шумовыми параметрами.
Б. Пассивные характеристики интегральной схемы
Более широкие возможности, с точки зрения возможностей реализации топологических цепей согласования (ЦС), предоставляются проектировщику МИС. В то же время пассивные элементы, изготовленные на GaAs подложке МИС, обусловят дополнительные потери и снижение доброт-ностей ЦС. Однако в большинстве случаев потери в охлаждаемой пассивной схеме незначительны и составляют не более 3.5%, что при Гокр = 20 К обеспечивает добавку к шумовой температуре МШУ не более ЛГш = 1 К. Основным преимуществом МИС является возможность осуществления более коротких соединений в составе МИС, в том числе - заземлений. Это может быть существенно при расширении полосы, стабильности СВЧ-характеристик и, что более важно, устойчивости ПТ при криотемпературах.
В. Надежность
Отметим, что при одинаковой надежности собственно транзисторов, надежность МШУ на основе ГИС с дискретными ПТ существенно ниже ввиду большего количества микросоединений, изготовление которых связано с профессиональным умением операторов сборки и настройки. Тоже касается воспроизводимости характеристик таких многокаскадных МШУ миллиметрового диапазона.
Изложенное выше показывает неочевидность преимущественного использования дискретных ПТ с точки зрения окончательных СВЧ-характе-
ристик (шумовая температура Тш, коэффициент усиления Ку, неравномерность коэффициента усиления АКу) охлаждаемого МШУ. В то же время использование МИС упрощает процессы сборки и настройки интегральных схем и повышает эксплуатационную надежность усилителя в целом.
Для проектирования МШУ были использованы дискретные НЕМТ ЕС2612 и монолитные интегральные схемы СНА2094Ь. Оба активных элемента изготовлены фирмой United Monolithic Semiconductor (UMS) на подложках GaAs.
Транзистор ЕС2612 представляет собой дискретный НЕМт с шириной затвора W3 = 120 мк и длиной затвора L3 = 0.15 мк, истоки транзистора заземлены через металлизированные отверстия в кристалле. Данный НЕМТ уже использовался авторами при проектировании охлаждаемого МШУ 13-мм диапазона [2]. Тогда же был проведен ряд экспериментов и восстановлена его внутренняя эквивалентная схема для Т = 20 К. Было определено, что топология ЕС2612 оптимизирована для применения в 8-мм диапазоне, а именно - кристалл является условно устойчивым, затворная (входная) емкость имеет оптимальное значение с точки зрения минимизации коэффициента шума.
Кристалл СНА2094Ь представляет собой трех-каскадную МИС, содержащую три микротранзистора НЕМТ с W3 = 120 мк и длиной затвора L3 = = 0.15 мк, истоки транзисторов заземлены через металлизированные отверстия в кристалле; на кристалле также выполнены цепи согласования, вводы питания и развязки по постоянному току.
2. ГИБРИДНЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ МШУ НА БАЗЕ НЕМТ ЕС2612
Шумовая модель Поспешальского (рис. 1) широко используется при проектировании малошумящих криоусилителей на основе ПТ и включает в себя два источника шума: шумовой источник в затворе с температурой Тз и шумовой источник в стоке Тс [3]. Минимальная шумовая температура (Тмин) кристалла ПТ, описываемая предлагаемой шумовой моделью, может быть аппроксимирована следующим упрощенным выражением:
= 2-0 (Я3 + Яи + Я) Т 3 Т свс
It
(1)
где / - рабочая частота, / = От/(2кСзи) - частота отсечки, Эт - крутизна транзистора.
Значительное количество экспериментов показывает, что шумовая температура в затворе Тз эквивалентна температуре окружающей среды Токр [4], а шумовой источник стока может быть аппроксимирован выражением Тс = 300 + 6Токр [5].
Необходимая для расчета МШУ полная система шумовых параметров транзистора описывается системой уравнений
R =
ЯЧи +
'Т Я
± rjlV,
wC„J Тс G„
X =
Хопт wCj
(2)
(3)
Т =2
-*• \fTTXJ
wCrn^\2
Go )
[TсGси](Язс + Яопт) , (4)
N =
Т 2 Я
мин опт
4 Т0 Яопт + Язи
(5)
где м> = 2п/.
Тогда шумовая температура транзистора Тш в зависимости от импеданса генератора может быть описана формулой:
Т = Тмин + То N -
41Г - Г
( 1- |Гг| 2)( 1- |ГопТ| 2)
(6)
где Гопт (Сопт, Вопт или Яопт, Хопт) - оптимальный импеданс генератора, соответствующий минимуму коэффициента шума, N = гпОош = gnRоп,т - шумовой параметр, опре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.