본 논문에서는 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킨 밀리미터파광대역 amplifier를 설계 및 제작하였다. 밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 설계 및 제작을 위해서 $0.1{\mu}m\;{\Gamma}-gate$GaAs PHEMT와 CPW 및 passive library를 개발하였다. 제작된 PHEMT는 최대 전달 컨덕턴스는 346.3 mS/mm, 전류이득 차단 주파수 ($f_T$)는 113 GHz, 그리고 최대공진 주파수($f_{max}$)는 180 GHz의 특성을 갖고 있다. 설계된 cascode amplifier는 회로의 발진을 막기 위해서 저항과 캐패시터를 common-rate 소자의 드레인에 병렬로 연결하였다. 대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위해 바이어스 단들에 short stub 및 common-source 소자와 common-gate 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하고 최적화하였으며, 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였다. 제작된 cascode amplifier의 측정결과, cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain을 평탄화 시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 3 dB 대역폭은 34.5 GHz ($19{\sim}53.5GHz$)로 광대역 특성을 얻었으며, 3 dB대역 내에서 평균 6.5 dB의 $S_{21}$ 이득 특성을 나타내었다.
본 논문에서는 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킨 밀리미터파 광대역 amplifier를 설계 및 제작하였다. 밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 설계 및 제작을 위해서 $0.1{\mu}m\;{\Gamma}-gate$ GaAs PHEMT와 CPW 및 passive library를 개발하였다. 제작된 PHEMT는 최대 전달 컨덕턴스는 346.3 mS/mm, 전류이득 차단 주파수 ($f_T$)는 113 GHz, 그리고 최대공진 주파수($f_{max}$)는 180 GHz의 특성을 갖고 있다. 설계된 cascode amplifier는 회로의 발진을 막기 위해서 저항과 캐패시터를 common-rate 소자의 드레인에 병렬로 연결하였다. 대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위해 바이어스 단들에 short stub 및 common-source 소자와 common-gate 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하고 최적화하였으며, 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였다. 제작된 cascode amplifier의 측정결과, cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain을 평탄화 시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 3 dB 대역폭은 34.5 GHz ($19{\sim}53.5GHz$)로 광대역 특성을 얻었으며, 3 dB대역 내에서 평균 6.5 dB의 $S_{21}$ 이득 특성을 나타내었다.
We report our research work on the millimeter-wave broadband amplifier integrating the shunt peaking technology with the cascode configuration. The millimeter-wave broadband cascode amplifier on MIMIC technology was designed and fabricated using $0.1{\mu}m\;{\Gamma}-gate$ GaAs PHEMT, CPW,...
We report our research work on the millimeter-wave broadband amplifier integrating the shunt peaking technology with the cascode configuration. The millimeter-wave broadband cascode amplifier on MIMIC technology was designed and fabricated using $0.1{\mu}m\;{\Gamma}-gate$ GaAs PHEMT, CPW, and passive library. The fabricated PHEMT has shown a transconductance of 346.3 mS/mm, a current gain cut off frequency ($f_T$) of 113 GHz, and a maximum oscillation frequency ($f_{max}$) of 180 GHz. To prevent oscillation of designed cascode amplifier, a parallel resistor and capacitor were connected to drain of common-gate device. For expansion of the bandwidth and flatness of the gain, we inserted the short stub into bias circuits and the compensation transmission line between common-source device and common-gate device, and then their lengths were optimized. Also, the input and output stages were designed using the matching method to obtain the broadband characteristic. From the measurement, we could confirm to extend bandwidth and flat gain by integrating the shunt peaking technology with the cascode configuration. The cascode amplifier shows the broadband characteristic from 19 GHz to 53.5 GHz. Also, the average gain of this amplifier is about 6.5 dB over the bandwidth.
We report our research work on the millimeter-wave broadband amplifier integrating the shunt peaking technology with the cascode configuration. The millimeter-wave broadband cascode amplifier on MIMIC technology was designed and fabricated using $0.1{\mu}m\;{\Gamma}-gate$ GaAs PHEMT, CPW, and passive library. The fabricated PHEMT has shown a transconductance of 346.3 mS/mm, a current gain cut off frequency ($f_T$) of 113 GHz, and a maximum oscillation frequency ($f_{max}$) of 180 GHz. To prevent oscillation of designed cascode amplifier, a parallel resistor and capacitor were connected to drain of common-gate device. For expansion of the bandwidth and flatness of the gain, we inserted the short stub into bias circuits and the compensation transmission line between common-source device and common-gate device, and then their lengths were optimized. Also, the input and output stages were designed using the matching method to obtain the broadband characteristic. From the measurement, we could confirm to extend bandwidth and flat gain by integrating the shunt peaking technology with the cascode configuration. The cascode amplifier shows the broadband characteristic from 19 GHz to 53.5 GHz. Also, the average gain of this amplifier is about 6.5 dB over the bandwidth.
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문제 정의
본 논문에서는 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 양호한 이득 및 광대역 특성을 갖는 밀리미터파 amplifer를 설계 및 제작하였다. 밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 설계 및 제작을 위하여 GaAs PHEMT를 개발하였다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위해 cascode 구조에 아iunt peaking 기술을 접목시킨 광대역 amplifier■를 설계 하였다. 그림 7은 설계된 광대역 cascode ampliher의 회로도를 보여준다.
본 논문에서는 밀리미터파 대역에서 양호한 이득 및 광대역 특성을 갖는 cascode amplifier를 개발하기 위해 PHEMT를 설계 및 제작하였다. 또한, 회로 설계를 위한 active 와 passive 라이브러리를 구축한 후 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킨 밀리미터파 광대역 amplifier를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
위한 전송선로는 CPW 라인을 사용하였다. CPW 라이브러리 구축을 위해 35, 50, 75 Q의 특성 임피던스를 갖는 선로를 설계 및 제작하였으며, 각 특성 임피던스 라인의 Curve, Tee, Cross의 불연속 특성에 대한 모델을 구축하였다. 또한 900 A Ti 금속을 사용한 박막 저항과 900 A SiaN4 박막을 이용한 MIM (Metal Insulator Metal) 캐패시터를 설계 및 제작하여 수동소자 모델을 구축하였다.
PHEMT의 S-parameter 특성은 Agilent사의 8510C vector network analyzer를 이용하여 1 ~ 50 GHz의 주파수 영역에서 측정하였다. 그림 4은 70 伽 X 2 finders 인 PHEMT의 RF 특성으로, 50 GHz에서 3.
그림 1은 cascode amplifier 설계에 사용된 PHEMT의 에피 구조를 보여준다. Source와 drain 간의 오믹 특성 향상을 위하여 5xl018 cm 3의 도핑농도를 갖는 300 A 두께의 n+ GaAs 캡층 (Cap layer)을 성장 시켰다. 또한, 소자의 항복전압을 높여주고 2DEG 층의 면 전하 밀도를 높이기 위하여 In0.
광대역 cascode ampHfier는 회로의 발진을 막기 위해서 저항과 캐패시터를 common-gate 소자의 드레인에 병렬로 연결하였다. 대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위해 바이어스 회로들에 short stub 및 common-source 소자와 common-gate 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하고 최적화 하였다. 또한, 입출력 단은 광대역 특성을 갖는정합회로로 설계 하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 검증하고 최적화를 수행하였다.
CPW 라이브러리 구축을 위해 35, 50, 75 Q의 특성 임피던스를 갖는 선로를 설계 및 제작하였으며, 각 특성 임피던스 라인의 Curve, Tee, Cross의 불연속 특성에 대한 모델을 구축하였다. 또한 900 A Ti 금속을 사용한 박막 저항과 900 A SiaN4 박막을 이용한 MIM (Metal Insulator Metal) 캐패시터를 설계 및 제작하여 수동소자 모델을 구축하였다. 측정결과 박막 저항은 30.
Source와 drain 간의 오믹 특성 향상을 위하여 5xl018 cm 3의 도핑농도를 갖는 300 A 두께의 n+ GaAs 캡층 (Cap layer)을 성장 시켰다. 또한, 소자의 항복전압을 높여주고 2DEG 층의 면 전하 밀도를 높이기 위하여 In0.2Ga0.gAs 채널증 상하의 진성 Alo.25Gao.75As 증에 5xl012 cm-2 및 IxlO12 cm2의 도핑 농도를 갖는 Si atomic planar doping을 삽입하였다. 설계된 에피 구조는 측정결과 상온에서 2.
대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위해 바이어스 회로들에 short stub 및 common-source 소자와 common-gate 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하고 최적화 하였다. 또한, 입출력 단은 광대역 특성을 갖는정합회로로 설계 하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 검증하고 최적화를 수행하였다. 제작된 광대역 cascode amplifier 의 S-parameter 특성 측정 결과 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain 을 평탄화 시킬 수 있다는 것을 확인하였다.
설계 및 제작하였다. 또한, 회로 설계를 위한 active 와 passive 라이브러리를 구축한 후 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킨 밀리미터파 광대역 amplifier를 설계 및 제작하였다.
또한, 대역폭의 확장 및 gain의 평탄화를 위한 입출력 단의 병렬 inductance는 전송선로라인이 inductor와 capacitor. 로 모델화될 수 있다는 점에 착안하여 바이어스 회로들에 short stub 및 common-source 소자와 common-gate 소자 사이에 보상 전송선로를 삽입하여 구현하였다. 이 보상 전송선로는 귀환 인덕턴스를 가짐으로써 입출력 단 를동시에 inductance 를 제공한다.
밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 설계 및 제작을 위하여 GaAs PHEMT를 개발하였다. 제작된 PHEMT는 게이트 길이가 0.
4~8 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 검증하고 최적화를 수행하였다. 그림 11은 설계된 광대역 cascode amplifiei.
대상 데이터
Short stub의 길이 변화에 따라 3 dB 대역폭이 변화함을 알 수 있으며, 광대역, 평탄화, 그리고 발진을 고려하여 바이어스 단의 short stub의 길이는 790 “m로 선택하였다. 그림 10는 short stub의 길이가 790 “이일 때 보상 전송선로의 길이 변화에 따른 cascode amplifier의 시뮬레이션 된 S2i 이득 특성을 보여준다.
밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 제작은 개발된 MIMIC 표준공정을 통하여 제작되었다 的 그림 12는 제작된 광대역 cascode amplifier의 칩 사진이며, 칩의 크기는 1.7 X 1.5 mm2 이다.
밀리미터파 대역의 경우 공진주파수의 제한으로 lumped 소자는 사용되어 질 수 없기 때문에 회로설계를 위한 전송선로는 CPW 라인을 사용하였다. CPW 라이브러리 구축을 위해 35, 50, 75 Q의 특성 임피던스를 갖는 선로를 설계 및 제작하였으며, 각 특성 임피던스 라인의 Curve, Tee, Cross의 불연속 특성에 대한 모델을 구축하였다.
과정이 필요하다. 본 논문에서는 제작된 소자의 소 신호 파라미터를 추출하는 프로그램을 개발소 신호측정된 S-parameter로 소신호 파라미터를 추출하였다⑶. 또한, 대신호 파라미터를 추출하기 위해서 EEHEMT1 (Eesof scalable nonlinear HEMT model)을 사대 신호다.
설계된 에피 구조를 이용하여 게이트 길이가 0.1 /皿 단위 게이트 폭이 70 例, 그리고 핑거 수가 2개인 PHEMT를 제작하였다. 그림 2는 제작된 PHEMT의 I-V 특성을 보여주며, 그림 3은 전달컨덕턴스 특성을 보여준다.
밀리미터파 광대역 cascode amplifier의 설계 및 제작을 위하여 GaAs PHEMT를 개발하였다. 제작된 PHEMT는 게이트 길이가 0.1 ㈣ 단위 게이트 폭이 70 ㈣, 핑거 수가 2 개이며, 최대 전달 컨덕턴스는 346.3 mS/mm, 전류 이득차단 주파수 (fr) 는 113 GHz, 그리고 최대공진 주파수 (临)는 180 GHz의 특성을 나타내었다. 광대역 cascode ampHfier는 회로의 발진을 막기 위해서 저항과 캐패시터를 common-gate 소자의 드레인에 병렬로 연결하였다.
데이터처리
제작된 광대역 cascode amplifier의 S-parameter 특성은 on-wafer 측정 시스템을 이용하여 분석 하였14. 그림 13은 광대역 cascode amplifier의 시뮬레이션 된 S-parameter 특성과 측정된 S-parameter 특성의 비교 결과를 나타내었다.
성능/효과
제작된 광대역 cascode amplifier 의 S-parameter 특성 측정 결과 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain 을 평탄화 시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 3 dB 대역폭은 34.5 GHz (19 ~ 53.5 GHz)로 광대역 특성을 얻었으며, 3 dB 대역 내에서 평균 6.5 曲의 S2i 이득 특성을 나타내었다.
그러나 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain을 평탄화시킬 수 있다는 것을 제작 및 측정을 통해 확인하였다. 3 dB 대역폭은 345 GHz (19 〜 53.5 GHz)로 광대역 특성을 얻었으며, 3 dB대역 내에서 평균 6.5 dB의 S요 이득 특성을 나타내었다. 또한, 28 GHz에서 최대 7 dB의 S21 이득 특성을 나타내었으며, 입출력 반사 손실은 3 dB 대역폭에서 -3.
3-8 曲의 S끼 이득 특성을 나타내었다. S2i 이득의 평탄화를 위해서 보상 전송선로의 길이는 300 /mi로 최적화 되었으며, 15〜53 GHz 주파수 범위에서 6.4~8 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 입출력 단은 광대역 특성을 갖는 정합회로로 설계하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 검증하고 최적화를 수행하였다.
광대역 cascode amplifier의 S-parameter 특성 즉정결과 20 -50 GHz의 주파수 영역에서 5.5~7 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하였을 때, 주파수 범위가 8 GHz 정도 감소하였고, s2i 이득 또한 1 dB 감소하였다.
시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하였을 때, 주파수 범위가 8 GHz 정도 감소하였고, s2i 이득 또한 1 dB 감소하였다. 그러나 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain을 평탄화시킬 수 있다는 것을 제작 및 측정을 통해 확인하였다. 3 dB 대역폭은 345 GHz (19 〜 53.
5 dB의 S요 이득 특성을 나타내었다. 또한, 28 GHz에서 최대 7 dB의 S21 이득 특성을 나타내었으며, 입출력 반사 손실은 3 dB 대역폭에서 -3.3 dB 이하의 특성을 얻었다.
5~7 dB의 S2i 이득 특성을 나타내었다. 시뮬레이션 결과와 측정 결과를 비교하였을 때, 주파수 범위가 8 GHz 정도 감소하였고, s2i 이득 또한 1 dB 감소하였다. 그러나 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain을 평탄화시킬 수 있다는 것을 제작 및 측정을 통해 확인하였다.
또한, 입출력 단은 광대역 특성을 갖는정합회로로 설계 하였으며, 설계된 전체 회로 패턴은 Momentum™ 시뮬레이션을 통하여 검증하고 최적화를 수행하였다. 제작된 광대역 cascode amplifier 의 S-parameter 특성 측정 결과 cascode 구조에 shunt peaking 기술을 접목시킴으로써 대역폭을 확장 및 gain 을 평탄화 시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 3 dB 대역폭은 34.
또한, 대신호 파라미터를 추출하기 위해서 EEHEMT1 (Eesof scalable nonlinear HEMT model)을 사대 신호다. 주줄 된 대신호 파라미터를 사용한 시뮬레이션 값과 측정 값의 비교 결과 잘 일치하였다.
또한 900 A Ti 금속을 사용한 박막 저항과 900 A SiaN4 박막을 이용한 MIM (Metal Insulator Metal) 캐패시터를 설계 및 제작하여 수동소자 모델을 구축하였다. 측정결과 박막 저항은 30.1 〜 33.5 Q口, 캐패시터는 0.485 〜 0.538 fF/jrai2 의 값을 얻었다.
그림 2는 제작된 PHEMT의 I-V 특성을 보여주며, 그림 3은 전달컨덕턴스 특성을 보여준다. 측정결과 소자의 핀치오프 전압 (VJ 은 -2.0 V, 드레인 포화전류 (I&S)는 61.6 mA, 그리고 최대 전달컨덕턴스 (gm, )는 346.3 mS/mm의 특성을 나타내었다.
후속연구
본 논문에서 설계 및 제작된 cascode amplifier는 밀리미터파 대역에서 광대역 및 양호한 이득 특성을 나타내었으며, 밀리미터 파 대역시스템에 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
참고문헌 (6)
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D. C. W.Lo, L.Yurjiri, G. S.Dow, T. N.Ton, M.Mussetto, and B. R.Allen, 'A W-band direct-detection radiometric imaging array,' IEEE Microwave and Millimeter-Wave Monolithic Circuits Symp. Dig., pp. 41-44, May 1994
D. S. Park, H. C. Cho, Y. S. Chae, J. K. Rhee, 'A New Cold PHEMT Equivalent Circuit for Extracting Extrinsic Resistance,' Asia-Pacific Workshop on Fundamental and Application of Advanced Semiconductor Devices, pp. 115-119, 2000
Thomas H. LeeE, The Desing of Cmos Radio-Frequency Integrated Circuits. Cambridge University Press
W. S. Sul, D. H. Shin and J. K. Rhee, 'Sub 0.1 ${\mu}m$ asymmetric ${\gamma}$ -gate PHEMT process using electron beam lithography,' 2002 MRS Spring meeting Proceeding, pp. 169, 2002
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