ИНФОРМАЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СЕРИИ AN-007 - СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБЗОР ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА ОСНОВЕ GAN, SI И GAAS ДЛЯ ВЧ- И ...
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Энтони Комбс (Anthony Combs)
Перевод: Сергей Шихов, sergey@acont.ru ,технический директор «А-КОНТРАКТ»
Информация по применению
серии AN-007
Сравнительный обзор
полупроводниковых приборов,
выполненных на основе GaN, Si
и GaAs для ВЧ- и СВЧ-устройств
Статья предлагает обзор преимуществ и недостатков технологии
GaN и ее конкурентов для ВЧ-/СВЧ-устройств, а также в качестве
дополнения представляет двунаправленный трехдиапазонный
усилитель NuPower Xtender SCISR‑20 компании NuWaves Engineering.
Оригинал статьи доступен по ссылке [1], дополнения по ссылке [2].
Введение их возможности. С этой целью давай- на то, что ЛБВ способны справляться
Инженеры, которые в последние те проведем краткий анализ приборов с высокими уровнями мощности и все
10–15 лет занимались проектированием и технологий, используемых в технике еще применяются в некоторых прило-
высокочастотных устройств, уже хоро- высоких (ВЧ) и сверхвысоких частот жениях, они из-за своей низкой надеж-
шо осведомлены об особенностях тако- (СВЧ). ности, большого размера и разбросов ха-
го полупроводникового материала, как рактеристик, связанных с наличием кон-
нитрид галлия (GaN), и постепенном Лампы бегущей волны структивных отклонений, в настоящее
завоевании им рынка высокочастотных Лампы бегущей волны (ЛБВ, в англ. время считаются морально устаревшими
полупроводниковых приборов, которые TWT от travelling-wave tube) исторически компонентами, хотя и выпускаются поч-
находят широкое применение в различ- использовались для усиления мощности ти десятком компаний в разных странах.
ных приложениях. Теме превосходства на высоких частотах, когда требовалось
GaN над его конкурентами, выполнен- достичь высокой мощности (рис. 1). Полевые Si-транзисторы
ными на основе классического кремния ЛБВ — это электровакуумные прибо- с латеральным рассеиванием
РУБРИКА
(Si) и хорошо зарекомендовавшего себя ры, в которых для генерирования и/или на основе оксидов металлов
в прошлом арсенида галлия (GaAs), по- усиления электромагнитных колебаний и полупроводников
священо очень много технических ста- СВЧ используется взаимодействие бегу- МОП-транзисторы, в данном слу-
тей, информаций по применению, бло- щей электромагнитной волны и элек- чае речь пойдет об их разновидности
32 гов и вебинаров. Однако для того, чтобы
понять преимущества (и недостатки) той
тронного потока, движущихся в одном
направлении ЛБВ. Они специально раз-
LDMOS (от англ. laterally diffused metal
oxide semiconductor) — транзисторах с ла-
или иной полупроводниковой техноло- работаны для усиления ВЧ-сигналов теральным рассеиванием, имеют одно
гии для каждого конкретного приложе- в диапазоне от 300 МГц до области мил- значительное преимущество. Поскольку
ния, важно точно знать разницу между лиметровых частот (до 50 ГГц, по неко- большинство устройств LDMOS изготов-
этими технологиями и трезво оценивать торым данным до 300 ГГц). Несмотря лено на базе кремния, они выигрывают
с точки зрения способности обеспечить
усиление для достижения высокой мощ-
ности при низкой стоимости. LDMOS-
транзисторы могут обеспечить более
100 Вт высокочастотной выходной мощ-
ности в области СВЧ и до киловатт мощ-
ности на частотах, не превышающих
1 ГГц. Пока производители работают
над их дальнейшим усовершенствова-
нием, главным правилом при проекти-
ровании остается следующее: «LDMOS-
Рис. 1. Стандартный усилитель на лампе бегущей волны (Britannica, 2010) транзисторы хорошо подходят для ши-
www.microwave-e.ruТаблица 1. Характеристики транзисторов GaN-, GaAs- и LDMOS-технологий
GaN GaAs LDMOS
1
Линеарность Низкая Умеренная Высокая
Частота До 30 ГГц До 250 ГГц До 3–4 ГГц
10–100 Вт, высокая удельная плотность мощ- 10–20 Вт, низкая удельная плотность мощности2 100–1000 Вт, низкая удельная плотность мощ-
Мощность
ности2 (5–10 Вт/мм) (1,5 Вт/мм) ности2 (1–1,5 Вт/мм)
Стоимость Высокая (4–5 $/Вт) Средняя (1–2 $/Вт) Низкая (1–2 $/Вт)
Полоса пропускания Широкая От узкой к средней Узкая (> 1 ГГц); Широкая (< 1 ГГц)
Примечание. 1 Зачастую линейность за счет ссылки только на одну точку сжатия Р1дБ неверно интерпретируется и не вполне точно отражает линейную характеристику устройств GaN. Кривая постепенного сжатия,
характерная для GaN, даже если реальные характеристики могут отвечать критериям, указанным для данного устройства инженером, обычно приводит к снижению значений Р1дБ. Линейность лучше определять как
работу в точке на кривой передачи, где достигается наиболее важный параметр для каждого конкретного устройства. Например, довольно часто можно увидеть приемлемые значения вектора ошибки (EVM) измерения
в GaN-устройстве с очень низким значением Р1дБ.
2
На 1 мм ширины затвора.
рокополосного усиления ниже 1 ГГц, или в конфигурации с объединением одним распространенным материалом
а также для узкополосного на частотах выходов. Однако такие конфигурации подложек для устройств GaN являет-
выше 1 ГГц». Кроме того, LDMOS счи- не получить без потерь по КПД и увели- ся кремний, в этом случае формируют
таются надежными компонентами, чрез- чения площади, необходимой для орга- GaN-на-Si. Благодаря использованию
вычайно устойчивыми к воздействиям. низации их периферийных схем. хорошо отлаженных техпроцессов про-
Они в состоянии работать со значитель- изводства кремния GaN-на-Si становятся
ным рассогласованием импеданса без по- Нитрид галлия — GaN более дешевой альтернативой, чем GaN-
вреждений и деградации и имеют преи- Использование нитрида галлия на-SiC, хотя происходит это за счет сни-
мущество при функционировании на ра- (GaN) стало прорывом в полупрово- жения производительности. Меньшая
бочих напряжениях до 50 В. Удельная дниковых технологиях для областей ВЧ теплопроводность кремния, по сравне-
выходная мощность на 1 мм ширины и СВЧ. Главным преимуществом GaN нию с карбидом кремния ограничивает
затвора для транзисторов технологии перед конкурентами является его высо- выходную мощность примерно до 10 Вт.
LDMOS составляет 1–2 Вт/мм. Пределом кая удельная плотность мощности, кото- Кроме того, вариант GaN-на-Si не под-
рабочих частот для LDMOS обычно счи- рая может в 5 раз превосходить показате- ходит для устройств, предназначенных
тается 3–4 ГГц, поскольку на более высо- ли сопоставимого полупроводникового для частот выше 6 ГГц, так как коэффи-
ких частотах их выходной импеданс ста- прибора, выполненного на основе GaAs. циент усиления, эффективность (КПД)
новится все труднее согласовать. Проще говоря, это значит, что мы полу- и выходная мощность устройств падают
чаем в 5 раз большую мощность в корпу- с увеличением частоты.
Арсенид галлия — GaAs се размером на 80% меньше. Весьма перспективным сегодня пред-
GaAs — это универсальный полупро- GaN-транзистор, по сравнению с при- ставляется растущий интерес к использо-
водниковый материал, как и Si LDMOS, борами на основе Si и GaAs, способен ванию синтетических алмазов в качестве
является уже полностью зрелым. GaAs- обеспечить от десятков до сотен ватт вы- подложек для GaN-устройств (GaN-на-
транзисторы способны работать в ши- ходной мощности и работать в пределах алмазе). Алмаз имеет самую высокую
роком диапазоне частот от 30 МГц вплоть до миллиметрового диапазона теплопроводность из всех материалов,
и до миллиметровых частот 250 ГГц с высокой эффективностью и улучшен- известных человеку, и первые исследо-
и успешно применяются как в широко- ной пропускной способностью (линей- вания показывают, что GaN-на-алмазе
полосных, так и в узкополосных прило- ностью). Частично это достигается бла- может дать удельную плотность мощно-
жениях. Кроме того, GaAs-транзисторы годаря тому, что GaN-устройства имеют сти в 10 раз выше, чем доступные сейчас
генерируют очень мало собственного более плавную кривую перехода в насы- варианты GaN-на-SiC. Однако произ-
шума и могут работать с низкими уров- щение, то есть усилители могут работать водство синтетических алмазов остается
РУБРИКА
нями входных сигналов. Удельная вы- дальше в области насыщения, где эф- еще слишком дорогим, чтобы техноло-
ходная мощность на 1 мм ширины за- фективность выше. Кроме того, у GaN- гия GaN-на-алмазе распространилась до-
твора у GaAs-транзисторов обычно со- устройств, предназначенных для работы вольно широко. Впрочем, по мере того,
ставляет около 1,5 Вт/мм. К недостаткам в ВЧ- и СВЧ-диапазонах, по сравнению как эти процессы будут совершенство-
GaAs-транзисторов следует отнести воз-
можность усиления мощности, посколь-
с транзисторами на основе GaAs, более
высокое напряжение пробоя, которое на-
ваться и набирать обороты, невероятные
преимущества теплового управления,
33
ку из-за низкого напряжения пробоя, ко- ходится в диапазоне 28–50 В. В резуль- свойственные алмазам, превзойдут за-
торое, как правило, находится в пределах тате низкая входная емкость и высокая траты на их производство, открывая но-
5–12 В, она ограничена примерно 5–10 Вт резистивная составляющая в импедансе вые возможности проектирования в сфе-
выходной мощности. Кроме того, тран- приводят к более высокому входному ре ВЧ и СВЧ.
зисторы рассматриваемого типа не могут импедансу, что упрощает процесс согла-
выдерживать высокие температуры, с ко- сования и обеспечивает широкополос- LDMOS против GaAs против GaN:
торыми легко справляются транзисторы, ную функциональность, которая ранее что следует использовать
выполненные на основе GaN и Si. была недоступна. и когда?
Справедливости ради следует отме- Однако здесь имеется один нюанс — Учитывая экстраординарные пре-
тить, что использование транзисторов для того, чтобы улучшить относительно имущества технологий GaN, легко
на основе арсенида галлия дает возмож- слабые тепловые характеристики GaN, предположить, что GaN должен заме-
ность получать более высокие выходные транзисторы на его основе почти всег- нить LDMOS и GaAs во всех устрой-
мощности вплоть до 20–40 Вт. Это дости- да формируются на подложках с более ствах. Конечно, в действительности все
гается благодаря тому, что данные тран- низкими потерями и высокой теплопро- не так просто, и многие считают, что
зисторы могут устанавливаться в двух- водностью, таких как карбид кремния, LDMOS и GaAs будут использоваться
тактных, параллельных конфигурациях в результате мы имеем GaN-на-SiC. Еще еще много лет. В таблице 1 представ-
СВЧ-электроника №2 2021лен обзор трех этих технологий. Говоря проводные базовые станции, зачастую и его можно выращивать на пластинах
в целом, GaN является очевидным ре- больше выигрывают от использования 4 дюйма, тогда как затраты остаются со-
шением для приложений выше 3 ГГц, более дешевых и проверенных LDMOS- поставимыми. Следовательно, в прило-
требующих выходной мощности более технологий. Что касается применения жениях малой мощности, скорее всего,
25 Вт. Вне этих условий выбор между GaAs, здесь также рассматривается диа- будут по-прежнему использоваться бо-
LDMOS, GaAs, и GaN становится более пазон выше 30 ГГц. лее дешевые GaAs-устройства, до тех пор
сложным, требующим тщательного Нужно учитывать и то, что сегодня пока стоимость GaN не снизится за счет
анализа компромиссов по производи- уже производится десятое поколение их более широкого распространения
тельности и стоимости. Приложения кремния и его выращивают на пластинах в высокочастотной отрасли.
с высокой мощностью, где необходима 12–18 дюймов. Для сравнения, GaN пока
работа ниже 3 ГГц, — например, бес- еще находится во втором поколении, Современное практическое
применение GaN в усилителях
Как можно видеть из приведенного
анализа, транзисторы на основе GaN,
выполненные по современной высоко-
частотной технологии, благодаря зна-
чительным улучшениям надежности
и высокой удельной плотности мощно-
сти считаются наиболее оптимальным
выбором для самого широкого спек-
тра приложений. Компания NuWaves
Engineering, одной из первых взявшая
на вооружение технологию GaN, ста-
рается работать в этом направелнии
и крайне заинтересована в передовых
новейших технологиях в сфере ВЧ-
усилителей мощности (РА — от англ.
power amplif ier). На рис. 2 представле-
Рис. 2. Двунаправленный трехдиапазонный усилитель NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves но одно из решений компании, иллю-
Engineering стрирующее ее достижения в области
РУБРИКА
34
Рис. 3. Функциональная схема NuPower Xtender SCISR-20
www.microwave-e.ruТаблица 2. Основные технические характеристики двунаправленного трехдиапазонного усилителя фицирована по стандартам AS9100:
NuPower Xtender SCISR-20 компании NuWaves Engineering. 2016 Rev D и ISO 9001: 2015.
Параметр Значение • Приложения: беспилотные авиаци-
онные системы (Unmanned Aircraft
Частотный диапазон:
System, UAS), беспилотные наземные
L‐диапазон 1000–2000 МГц транспортные средства (Unmanned
S‐диапазон 2000–2500 МГц Ground Vehicle, UGV; Unmanned
Surface Vehicle, USV), широкопо-
C‐диапазон 4400–5100 МГц
лосная радиочастотная телеметрия,
Выходная мощность ВЧ в режиме насыщения: радиочастотные системы связи, про-
L‐ и S‐диапазон 20 Вт (типовая) граммно-конфигурируемые радио-
C‐диапазон 10 Вт (типовая) станции, испытательные лаборато-
рии.
Номинальная входная мощность +30 дБм
Усилитель, предлагаемый компанией
Максимальная входная мощность +33 дБм NuWaves Engineering, имеет исключи-
Коэффициент усиления приемника тельно высокую удельную плотность
мощности и широкий диапазон рабочих
L‐ и S‐диапазон 16 дБ (типовая)
частот, что характерно для устройств,
C‐диапазон 12,8 дБ (типовая) выполненных на GaN-транзисторах.
Коэффициент шума приемника: Модуль двунаправленного трехдиапа-
L‐ и S‐диапазон 2,0 дБ (типовая)
зонного усилителя NuPower Xtender™
SCISR‑20 — это небольшой, легкий
C‐диапазон 2,8 дБ (типовая) и энергоэффективный двунаправлен-
Режим переключения режима T/R (передача/прием) Automatic Sensing or Manual T/R Line ный усилитель (BDA), оптимальный для
Время переключения T/R (передача/прием) 2 мкс расширения диапазона связи полуду-
плексных трансиверов с использовани-
Номинальное напряжение питания 28 В (DC)
ем непрерывной волны (continuous wave,
Ток потребления в режиме передачи CW) и почти постоянной огибающей
L‐ и S‐диапазон 2,1 A при +28 В (DC), типовое при Pout = 20 Вт формы волны. В режиме передачи дву-
направленный усилитель обеспечивает
C‐диапазон 1,6 A при +28 В (DC), типовое при Pout = 12 Вт
до 20 Вт в режиме насыщения в диапа-
Ток потребления в режиме приема: зонах частот L‑, S‑ и 12 Вт в C‑диапазоне
L‐ и S‐диапазон 90 мА при +28 В (DC), типовое и имеет встроенный малошумящий уси-
C‐диапазон 50 мА при +28 В (DC), типовое литель (МШУ), используемый в режиме
приема при работе на общую антенну.
Диапазон рабочих температур при 100% рабочем цикле –40…+75 °C (основание) Схема усилителя NuPower Xtender
7,25×4,50×1,375 дюймов (184,15×114,3×35,0 SCISR-20 приведена на рис. 3, а его основ-
Габаритные размеры:
мм) ные технические характеристики пред-
Вес 34 унции (964 г) ставлены в таблице 2. Полные техниче-
ские характеристики усилителя доступ-
использований технологи GaN — дву- встроенными монтажными отвер- ны в [2].
направленный трехдиапазонный уси- стиями. NuPower Xtender SCISR‑20 предлагает-
литель NuPower Xtender SCISR‑20 [2]. • Предоставленные полные техниче- ся как отдельный модуль или как часть
Семейство твердотельных двунаправ- ские характеристики: для семей- комплекта, который также содержит ра-
ленных радиочастотных усилительных ства твердотельных двунаправлен- диатор с принудительным охлаждением,
РУБРИКА
модулей NuPower Xtender, или модулей ных усилителей NuPower Xtender адаптер переменного/постоянного тока
T/R, предназначено для удовлетворения предоставлены полные технические и интерфейсный кабель с разъемами
растущих потребностей аэрокосмиче- характеристики по температуре, на- типа «банан»-джек.
ского и оборонного, промышленного пряжению и частоте. Эти высокопро- Радиатор с вентиляторным охлаж-
и коммерческого рынков. Основанный
на новейшей технологии нитрида галлия
изводительные модули представляют
значительную ценность для OEM-
дением обеспечивает достаточное ох-
лаждение для работы NuPower Xtender
35
(GaN) энергоэффективный и миниа- пользователей или системного инте- SCISR‑20 при комнатной температу-
тюрный форм-фактор NuPower Xtender гратора. ре (+25 °C), однако при более высоких
стал идеальным вариантом для широко- • Удобство для пользователя: защита температурах окружающей среды для
полосных радиочастотных систем теле- от перенапряжения и тепловое от- поддержания температуры основания
метрии и тактической связи. NuPower ключение стабилизатора помогают на уровне не выше +60 °C при 100%-ном
Xtender имеет компактные габариты, избежать проблем с пользователь- рабочем цикле передачи может потребо-
небольшой вес и ограничение по мощ- ским интерфейсом. ваться дополнительный теплоотвод.
ности. Усилители NuPower Xtender от- • Высокая надежность: выбор ком-
личают: панией NuWaves Engineering консер- Заключение
• Высокая производительность: уни- вативных вспомогательных компо- Появление технологий на базе GaN
кальное сочетание широкополосно- нентов обеспечивает усилителю вы- стало серьезным достижением для со-
го покрытия, миниатюрных форм- сокую надежность. Каждый NuPower общества ВЧ-/СВЧ-коммуникаций
факторов и высокой эффективности. проходит проверку на соответствие и их бенефициаров. Наибольшая плот-
• Корпус: семейство двунаправленных стандартам качества IPC-A- 610 ность энерговыделения и гибкость ра-
усилителей NuPower Xtender заклю- Class II. Система управления каче- бочих частот, а также прочие преиму-
чено в алюминиевый корпус с уже ством NuWaves Engineering серти- щества позволили совершить прорыв,
СВЧ-электроника №2 2021компромиссам между преимуществами
и недостатками, которые должны быть
тщательно изучены и проанализирова-
ны внимательным инженером. В бли-
жайшее время LDMOS и GaAs никуда
не исчезнут, однако уже сегодня произ-
водители GaN рассчитывают на светлое
Сергей Шихов, технический директор будущее, и, несомненно, основой за-
«А-КОНТРАКТ»: втрашнего дня для ВЧ- и СВЧ-техники
станет именно GaN. По мере того как
Полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия для высо- технология развивается, процессы со-
кочастотной техники разработаны относительно недавно. Однако вершенствуются, а более широкое рас-
данные приборы, несмотря на их сравнительно более высокую стои- пространение снижает издержки, мож-
мость, уже начинают приобретать все большую и большую популяр- но ожидать, что GaN станет таким же
ность в области ВЧ и СВЧ. повсеместным, как и электромагнит-
ные волны, которые он усиливает.
Полностью заменить транзисторы, выполненные на основе арсени-
да галлия и тем более кремния, они пока не способны, но, безуслов-
но, каждому из них найдется своя рыночная ниша. Литература:
1. Combs A. Application Note AN‑007: A
Comparative Review of GaN, LDMOS, and GaAs
результаты которого выходят далеко исследования космоса также получила for RF and Microwave Applicationsby.
за пределы возможностей простого мо- ряд выгод, поскольку здесь минимиза- 2. USER MANUAL NUPOWER XTENDER
дуля усилителя или входного каскада. ция размера и веса имеет ключевое зна- SCISR‑20 TRI-BAND BIDIRECTIONAL
В частности, в отрасли авиации распро- чение для успеха. И хотя влияние GaN A M P L I F I E R , PA R T N U M B E R : N W -
странение GaN способствовало разви- невозможно не учитывать, остается BA-SCISR‑20‑M02. www.nuwaves.
тию беспилотников меньшего размера очевидным, что во всех новых техно- com/wp-content/uploads/NuPower-Xtender-
с большей дальностью полета. Сфера логиях всегда есть место определенным SCISR‑20‑User-Manual.pdf
РУБРИКА
36
www.microwave-e.ruВы также можете почитать
