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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.
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