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HF–Eigenschaften des Transistors
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HF–Eigenschaften des Transistors
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Low Noise PHEMT
for 802.11b/g and Bluetooth Applications

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  1. 1. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA Jens Zimmermann 29. Oktober 2007 Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  2. 2. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Inhaltsverzeichnis Einf¨hrung u 1 angestrebte Eigenschaften Auswahl des Transistors 2 Transistortechnologien 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Arbeitspunkte Arbeitspunkteinstellung 3 Blockschaltbild AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung 4 HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Induktive Gegenkopplung Rauschanpassung am Eingang Leistungsanpassung am Ausgang parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Schaltplan Leiterplattenentwurf Auswertung und Erkenntnisgewinn 5 Vergleich von Messung und Simulation Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  3. 3. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung angestrebte Eigenschaften Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn angestrebte Eigenschaften Betriebsspannung und Stromaufnahme: 3,3 V ; ca. 10 mA Mittenfrequenz und Bandbreite: 2,45 GHz; 100 MHz Verst¨rkung und Verst¨rkungsgang: a a > 15 dB; lineare Gruppenlaufzeit Stabilit¨t: a absolute Stabilit¨t im a Arbeitsfrequenzbereich Rauschzahl: < 1 dB < −9 dBm Ausgangsleistung: Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  4. 4. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn Entwicklungsstand von Kleinsignaltransistoren, Stand 1997,(erg. 2006); ZINKE-BRUNSWIG, PHEMT 0,4 µm Hochfrequenztechnik 2, 5. Auflage Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  5. 5. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn handels¨bliche Typen u F −1 M= 1 1 − Ga Rauschparameter Herstellerteilenummer Fmin [dB] Ga [dB] Γopt M 0,66∠48,6◦ ATF-351431 0,29 15,7 0,0710 0,90∠25,0◦ ATF-360772 0,30 22,1 0,0720 0,53∠60,7◦ NE3508M041 0,41 14,0 0,1031 1 Ids = 10 mA; Uds = 2,0 V ; f = 2,5 GHz 2 Ids = 10 mA; Uds = 1,5 V ; f = 2,0 GHz Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  6. 6. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn ATF35143; Uds=2,0 V; f = 2,5 GHz 0.65 20 19.5 0.6 F opt G max 19 0.55 18.5 0.5 F min [dB] 18 G max [dB] 0.45 17.5 0.4 17 0.35 16.5 0.3 16 0.25 15.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 I ds /Idss Zusammenhang zwischen Rauschzahl Fmin , maximalem ¨ Ubertragungsgewinn Gmax und Drainstrom Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  7. 7. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Blockschaltbild H Ids = 10 mA und Uds = 2 V H Ugs = −650 mV Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  8. 8. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Arbeitspunktstabilisierung DC–Ersatzschaltbild Zusammenhang zwischen Ids , Ugs und Uds Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  9. 9. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Arbeitspunktstabilisierung 10,10 0,0 Ids.i -0,2 Ugs 10,05 DC–Ersatzschaltbild -0,4 10,00 Ids.i; mA Ugs; V 9.97 mA -0.618 V -0,6 Zusammenhang zwischen 9,95 -0,8 Ids , Ugs und Uds 9,90 -1,0 9,85 -1,2 1,990 1,994 1,998 2,002 2,006 2,010 Uds; V Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  10. 10. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf HF–Eigenschaften des Transistors f = 2,5GHz Ids = 10mA Uds = 2V Stabilit¨tskreise in der a Eingangsimpedanzebene Ga · · · Kreise konstanter Ver- st¨rkung a F=0,4dB F · · · Kreise konstanter Ga=17,2dB F=0,5dB Rauschzahl Ga=16,7dB F=0,6dB Ga=16,2dB Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  11. 11. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Konzept ‚ Einf¨gen einer induktiven u Gegenkopplung im Source-Zweig, so daß k>1 ƒ Rauschanpassung am Eingang „ Leistungsanpassung am Ausgang Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  12. 12. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Induktive Gegenkopplung 2 1pH 1.8 25pH 50pH 1.6 100pH 1.4 150pH 200pH 1.2 Stabilitätsfaktor 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  13. 13. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Reflexionsfaktor f¨r optimale Rauschzahl u mit LS = 150 pH ˜ Γopt = 0,644∠48,40◦ zum Vergleich: Γopt = 0,660∠49,00◦ Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  14. 14. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf ˜ Transformation der 50 Ω–Quellenimpedanz in Γopt A → B durch Serien-C C geg.: C =12 pF −1 X = ωC =−0,11jZ0 A B B → C durch Serien-L geg.: X =+1,83Z0 X L= = 5,81 nH ω Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  15. 15. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Verst¨rker mit Rauschanpassung am Eingang a ΓL = 0,385∠ − 103,8◦ zum Vergleich: S22 = 0,51∠ − 61.95◦ Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  16. 16. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Transformation der 50 Ω–Lastimpedanz in ΓL ∗ A→B durch Serien-C geg.: C =3,5 pF * L −1 X = ωC = −0,36Z0 C A B→C durch Parallel-L B 1 geg.: B=+1,1 · L Z0 1 L= = 2,89 nH ωB Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  17. 17. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild Widerstand Kondensatoren Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  18. 18. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild Widerstand Kondensatoren 33 nH Spule Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  19. 19. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild 33nH Spule: LQW18AN33NG 100 140 0 120 -100 100 Widerstand -200 80 R [ Ω] X [ Ω] X Kondensatoren R -300 60 33 nH Spule -400 40 -500 20 -600 0 0 2 4 6 8 10 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  20. 20. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  21. 21. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf ‚ Aufbereitung der Versorgungsspannung Ž ƒ Arbeitspunktstabilisierung „ Verst¨rkerschaltung a Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  22. 22. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 +j0,2 +j5.0 S12 1,5 Ghz ∞ 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 0,0 -j0,2 -j5,0 3 Ghz -j0,5 -j2,0 -j1,0 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  23. 23. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 90 0,1 120 60 0,08 0,06 ∞ 30 S11 150 3 Ghz 0,04 S12 0,02 S21 180 0 1,5 Ghz 210 330 240 300 270 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  24. 24. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 90 6 120 60 4 3 Ghz S11 150 30 2 S12 1,5 Ghz S21 180 0 S22 210 330 240 300 270 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  25. 25. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 +j0,2 +j5,0 S12 1,5 Ghz S21 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 ∞ 0,0 S22 Stabilit¨tsfaktor a -j0,2 -j5,0 3 Ghz -j0,5 -j2,0 -j1,0 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  26. 26. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 8 Simulation 7 Messung S11 6 S12 5 S21 Stabilitätsfaktor 4 S22 Stabilit¨tsfaktor a 3 Stabilit¨tskreise a 2 1 0 1,4 2,4 5 10 15 18 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  27. 27. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 S12 +j0,2 +j5,0 S21 ∞ 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 0,0 S22 Stabilit¨tsfaktor a -j0,2 -j5,0 Stabilit¨tskreise a Verst¨rkung und a Rauschzahl -j0,5 -j2,0 Stab.-Kreis f. d. Eingang -j1,0 Stab.-Kreis f. d. Ausgang Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
  28. 28. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 3 15 Rauschzahl S11 2,5 14 Gewinn S12 2 13 S21 G [dB] F [dB] 1,5 12 S22 Stabilit¨tsfaktor a 1 11 Stabilit¨tskreise a 0,5 10 Verst¨rkung und a 0 9 Rauschzahl 0,5 1 1,5 2 2,5 3 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA

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