Выбор технологии для входного малошумящего каскада приёмника долгое время решался почти автоматически: если частота выше нескольких гигагерц и коэффициент шума критичен, инженер брал арсенид-галлиевый pHEMT транзистор без долгих раздумий. За последние полтора десятилетия кремний-германиевые биполярные транзисторы с гетеропереходом изменили эту картину. Современный SiGe HBT в каскодном включении на частотах X и Ku диапазона демонстрирует коэффициент шума, ещё недавно достижимый только на арсениде галлия, и делает это при кратно меньшем энергопотреблении и с возможностью разместить весь приёмный тракт на одном кремниевом кристалле вместе с цифровой обвязкой. Разбор природы каскодной схемы, источников шума биполярного транзистора и прямого сопоставления с pHEMT позволяет понять, где именно проходит граница целесообразности перехода на кремниевую технологию.
Что даёт каскодное включение транзистора в схеме СВЧ малошумящего усилителя
Каскодная схема строится из двух одинаковых по технологии транзисторов: нижний включён с общим эмиттером и выполняет основное усиление по крутизне, верхний включён с общей базой и работает буфером между коллектором нижнего прибора и выходной нагрузкой всего каскада. Смысл такого построения в том, что верхний транзистор удерживает напряжение на коллекторе нижнего прибора практически постоянным независимо от размаха сигнала на выходе всей ступени. Ёмкость коллектор-база нижнего транзистора, которая иначе через эффект Миллера пересчитывалась бы к входу с коэффициентом, пропорциональным полному усилению каскада, в каскодной схеме видит на своих обкладках почти неизменное напряжение, и её влияние на входную ёмкость схемы падает до пренебрежимо малой величины.
Помимо подавления эффекта Миллера каскодное включение резко повышает обратную развязку S12 схемы: реализованные конструкции демонстрируют развязку лучше минус 47 дБ, что практически исключает паразитную обратную связь с выхода на вход через собственную ёмкость транзистора. Высокая развязка упрощает и стабилизацию усилителя, и настройку согласующих цепей, поскольку входная и выходная цепи перестают взаимно влиять друг на друга через прибор. Плата за эти преимущества - дополнительный транзистор в тракте сигнала, вносящий собственный вклад в общий уровень шума, хотя, как показывает анализ по формуле Фрииса для каскадного соединения звеньев, этот вклад ослаблен коэффициентом усиления нижнего каскада и в итоговом бюджете шума остаётся заметно меньше вклада первого транзистора.
Собственный шум SiGe HBT и роль сопротивления базы
Минимальный коэффициент шума биполярного транзистора описывается выражением, в котором ключевую роль играют сопротивление базы Rb, сопротивление эмиттера Re, коэффициент усиления по току бета, ток коллектора Ic и отношение рабочей частоты к граничной частоте fT. Приближённо коэффициент шума растёт пропорционально квадрату отношения f к fT и линейно зависит от произведения теплового потенциала на сумму сопротивлений базы и эмиттера, делённого на ток коллектора. Из этой зависимости следует практический вывод: снижение сопротивления базы даёт прямой выигрыш в коэффициенте шума точно так же, как снижение сопротивления затвора Rg улучшает шумовые параметры полевого транзистора.
Добиваются низкого Rb топологическими средствами: разбиением широкой эмиттерной области на несколько узких параллельных пальцев, самосовмещённой структурой база-эмиттер, минимизирующей длину пути тока базы от внешнего контакта до активной области перехода, и уменьшением площади внешней, паразитной части базы, не участвующей в усилении, но добавляющей чистое омическое сопротивление. Современные технологические процессы 0.13-0.18 мкм достигают граничной частоты SiGe HBT порядка 200-360 ГГц при максимальной частоте генерации fmax до 450 ГГц, и именно этот запас по граничной частоте позволяет получать приемлемый коэффициент шума далеко за пределами диапазона, для которого прибор изначально казался пригодным по интуитивным прикидкам.
Второе принципиальное отличие биполярного транзистора от полевого касается зависимости шума от режима по постоянному току. У полевого транзистора минимальный коэффициент шума слабо зависит от тока стока в широком диапазоне режимов, поэтому выбор рабочей точки определяется в основном линейностью и потребляемой мощностью. У биполярного транзистора коллекторный ток входит в формулу шума напрямую через два противоположных механизма: с ростом тока падает вклад теплового шума базы за счёт роста крутизны, но растёт вклад дробового шума самого коллекторного тока. В результате коэффициент шума SiGe HBT имеет чётко выраженный оптимум по току коллектора, и грамотный выбор этой рабочей точки, обычно найденный сопоставлением расчётных контуров шума, коэффициента усиления и линейности, становится отдельной задачей проектирования, отсутствующей в столь явном виде у полевых транзисторов.
Индуктивная деградация эмиттера как способ согласования входа без потери в шуме
Приём, полностью аналогичный индуктивной деградации истока в полевых транзисторах, применяется и в биполярной технике под названием индуктивной деградации эмиттера. Малая индуктивность Le, включённая последовательно с эмиттером нижнего транзистора каскодной пары, создаёт на входе действительную составляющую импеданса величиной, близкой к произведению граничной круговой частоты wT на саму индуктивность Le, при этом полная ёмкость база-эмиттер, обычно обозначаемая как сумма собственной ёмкости перехода Cπ и ёмкости контактной площадки Cp, определяет реактивную часть входного сопротивления вместе с индуктивностью базового вывода Lb.
В опубликованной реализации сверхширокополосного SiGe усилителя для диапазона 3-5 ГГц эмиттерная индуктивность Le составила 0.1 нГн, а базовая индуктивность Lb - тоже 0.1 нГн, обе величины оказались достаточно малыми, чтобы реализовать их прямо паразитными индуктивностями корпусировки прибора, без отдельных дискретных катушек на плате. Резонансный контур, образованный этими малыми индуктивностями совместно с ёмкостью база-эмиттер, настраивался так, чтобы действительная часть входного импеданса wT × Le оставалась близкой к 50 Ом во всей полосе от нижней до верхней граничной частоты усилителя.
У индуктивной деградации эмиттера есть и обратная сторона: она вводит в передаточную функцию два дополнительных полюса, которые без компенсации приводят к спаду коэффициента усиления на краях рабочей полосы. Для широкополосных конструкций эту проблему решают дополнительной обратной связью, например параллельным включением резистивно-индуктивной цепи в выходной каскад, компенсирующей потерю усиления от полюсов входной цепи, либо шунтирующей пиковой индуктивностью, приподнимающей коэффициент передачи именно на верхнем краю полосы, где спад проявляется сильнее всего.
Прямое сопоставление коэффициента шума и предельной частоты усиления GaAs pHEMT и SiGe HBT
Прямое сравнение публикуемых данных по обеим технологиям на одинаковых частотных диапазонах даёт наглядную картину. Спутниковые приёмники Ku-диапазона на частотах 10-12 ГГц и терминалы Ka-диапазона около 20 ГГц исторически строились на GaAs pHEMT именно ради предельно низкого коэффициента шума 0.5-1 дБ на этих частотах. В X и Ku диапазонах, то есть на 8-18 ГГц, современные SiGe HBT каскодные усилители достигают коэффициента шума порядка 1-2 дБ, то есть заметно приблизились к показателям арсенид-галлиевых аналогов, хотя формально пока не сравнялись с ними полностью. На частоте 10 ГГц типичный разброс паспортного коэффициента шума GaAs pHEMT составляет 0.3-0.5 дБ, тогда как экспериментальные каскодные SiGe усилители на 9-14 ГГц демонстрируют результаты от 1.15 до 2 дБ в зависимости от конкретной топологии, тока смещения и качества согласующих цепей.
На верхней границе сантиметрового диапазона разрыв между технологиями увеличивается: экспериментальный SiGe усилитель на 24 ГГц с однокаскадной дифференциальной каскодной схемой на технологии Infineon B7HF200 показал усиление 12 дБ и коэффициент шума 3.1 дБ при входной точке компрессии по уровню 1 дБ минус 8.7 дБм и точке пересечения третьего порядка минус 1.8 дБм. Для сравнения, GaAs pHEMT усилители Ka-диапазона на 26-40 ГГц, о которых шла речь применительно к арсениду галлия отдельно, устойчиво держат коэффициент шума в районе 2-2.2 дБ при существенно более высоком усилении за счёт большей крутизны gm полевого прибора на сопоставимом токе потребления. Иначе говоря, преимущество GaAs pHEMT по коэффициенту шума растёт вместе с частотой и становится наиболее заметным именно там, где паразитные реактивности и ограниченная граничная частота начинают сказываться сильнее всего.
Линейность, энергопотребление и интеграция как практические критерии выбора технологии
Экспоненциальная вольт-амперная характеристика биполярного транзистора в общем случае даёт более резкий переход в компрессию по сравнению с квадратичной характеристикой полевого прибора, поэтому при равном коэффициенте усиления GaAs pHEMT традиционно выигрывает по линейности и по точке пересечения третьего порядка интермодуляции. Тем не менее грамотный подбор геометрии эмиттера и рабочего тока коллектора у SiGe HBT позволяет найти локальный максимум IIP3: в одном из исследований пик точки пересечения третьего порядка наблюдался при токе коллектора около 6 мА для эмиттера длиной 40 мкм, а дальнейшее увеличение тока уже ухудшало линейность вместо того, чтобы её улучшать. Такая немонотонная зависимость линейности от тока делает подбор рабочей точки SiGe усилителя отдельной оптимизационной задачей, в то время как у полевого транзистора линейность обычно растёт монотонно с ростом тока стока вплоть до предела по рассеиваемой мощности.
Главное практическое преимущество SiGe технологии проявляется в энергопотреблении и степени интеграции. Экспериментальные X-диапазонные каскодные усилители на 0.18 мкм SiGe BiCMOS процессе достигают усиления 15-18 дБ и коэффициента шума 2.5-3.5 дБ при потреблении всего 1-3 мВт, а отдельные узкополосные версии сохраняют коэффициент шума 3.6 дБ при потреблении менее 1 мВт. Такие цифры недостижимы для GaAs pHEMT решений сопоставимого класса, поскольку технология позволяет разместить малошумящий каскад, смеситель, гетеродин и цифровую логику управления на одном кремниевом кристалле в едином процессе BiCMOS, избавляя разработчика от межкристальных соединений с их собственными паразитными потерями и от необходимости совмещать в одном модуле два разных технологических процесса. Дополнительно кремниевая подложка обладает лучшей теплопроводностью и механической прочностью по сравнению с арсенидом галлия, что упрощает отвод тепла в компактных модулях и снижает риск растрескивания кристалла при термоциклировании в жёстких условиях эксплуатации.
Влияние паразитных элементов корпусировки на каскодную схему в X и Ku диапазонах
При переходе от кристалла к готовому корпусированному изделию паразитные элементы монтажа начинают определять итоговый результат не меньше, чем параметры самого транзистора. В одной из опубликованных разработок X-диапазонного корпусированного усилителя авторы прямо указывают, что паразитные элементы корпуса способны как ухудшить показатели схемы, так и, при правильном расчёте, послужить полезным элементом согласования: высокодобротная индуктивность вывода корпуса может использоваться для снижения потерь во входной цепи вместо того, чтобы бороться с ней как с нежелательным паразитным элементом. Подход к заземлению по высокой частоте в этой разработке был выбран так, чтобы минимизировать паразитные эффекты, а полное трёхмерное электромагнитное моделирование топологии кристалла совместно с корпусом потребовалось для точного предсказания итогового коэффициента шума и усиления ещё до изготовления опытного образца.
Единственный практический список в этой статье уместно посвятить именно перечню элементов, которые необходимо включать в электромагнитную модель совместно с транзистором при проектировании каскодного SiGe усилителя сантиметрового диапазона:
- Индуктивность и ёмкость контактных площадок кристалла вместе с подводящими дорожками металлизации до самого прибора;
- Индуктивность бондовой проволоки или ленточного вывода, соединяющего кристалл с выводами корпуса, включая взаимную индуктивность между соседними проводниками;
- Паразитную ёмкость и индуктивность самого корпуса относительно печатной платы, определяемую его конструкцией и материалом;
- Переходные отверстия земляных выводов эмиттера нижнего транзистора каскодной пары, задающие итоговую величину индуктивности эмиттерной деградации;
- Паразитную связь между входными и выходными цепями через общую земляную плоскость печатной платы.
Практическая сводка реализованных каскодных SiGe усилителей в сопоставлении с GaAs аналогами
Совокупность рассмотренных публикаций даёт достаточно полную картину зрелости технологии. Каскодный SiGe HBT усилитель диапазона 2 ГГц на 50-гигагерцовой технологии с индуктивной деградацией эмиттера показал коэффициент шума 1.15 дБ, усиление 18 дБ и точку пересечения третьего порядка 15.8 дБм при токе смещения 7.5 мА, что для входного каскада на частоте всего в несколько гигагерц вплотную приближается к лучшим показателям GaAs pHEMT в этом же диапазоне. Более широкополосная реализация на диапазон 9-14 ГГц с расчётной моделью, полностью учитывающей паразитные элементы разводки и корпуса, продемонстрировала усиление свыше 19 дБ при коэффициенте шума ниже 1.3 дБ в моделировании и около 2 дБ в реальном измеренном корпусированном изделии, что также ставит SiGe в один ряд с GaAs pHEMT решениями сопоставимого частотного диапазона.
Общий вывод для инженера, выбирающего технологию входного каскада приёмника сантиметрового диапазона, складывается из трёх факторов одновременно, а не из одного лишь паспортного коэффициента шума. GaAs pHEMT сохраняет заметное преимущество на верхней границе сантиметрового и в миллиметровом диапазоне, где нужен предельно низкий коэффициент шума при умеренном энергопотреблении и интеграция с цифровой частью не требуется. SiGe HBT в каскодном включении становится оправданным выбором там, где нужен весь приёмный тракт на одном кристалле с минимальным энергопотреблением, где линейность можно скорректировать подбором рабочей точки, а разница в собственном шуме транзистора относительно GaAs составляет доли децибела, которые в бюджете шума всего приёмного тракта часто теряются на фоне потерь в антенно-фидерном тракте и входном фильтре, стоящих перед самим малошумящим каскадом.