ارائه یک روش شبه تحلیلی برای استخراج شاخص‌های نمونه سیگنال کوچک ترانزیستورهای قدرت ریزموج باقابلیت تحرک بالای الکترون مبتنی بر فناوری گالیم نیتراید

لرستانی, مجید; صادق زاده, رمضانعلی; مقدسی, محمد ناصر

ارائه یک روش شبه تحلیلی برای استخراج شاخص‌های نمونه سیگنال کوچک ترانزیستورهای قدرت ریزموج باقابلیت تحرک بالای الکترون مبتنی بر فناوری گالیم نیتراید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران

² گروه مهندسی برق مخابرات،دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی،تهران،ایران

³ استاد، گروه مهندسی برق مخابرات،دانشگاه آزاد اسلامی،واحد علوم و تحقیقات،تهران،ایران

چکیده

در دهه اخیر استفاده از ترانزیستورهای قدرت ریزموج باقابلیت تحرک بالای الکترون مبتنی بر فناوری گالیم نیتراید، برای طراحی تقویت‌کننده‌های قدرت در رادارها مورد توجه قرارگرفته است. به‌منظور طراحی یک تقویت‌کننده قدرت ریزموج با استفاده از این ترانزیستورها، نیاز به نمونه سیگنال بزرگ مناسبی از ترانزیستور است که به‌خوبی رفتار آن را بیان کند. اولین قدم در نمونه‌سازی سیگنال بزرگ، نمونه‌سازی سیگنال کوچک ترانزیستور است. این نمونه را می‌توان به دو قسمت پارازیتی و غیر پارازیتی تقسیم کرد. برای محاسبه عنصر‌های غیر پارازیتی، هم باید ابتدا عنصر‌های پارازیتی را مشخص کرد. در این مقاله با استفاده از یک الگوریتم بهبودیافته و نتایج اندازه‌گیری در شرایط کاری مختلف، خازن‌ها و سلف‌های پارازیتی یک ترانزیستور نمونه به‌طور مستقیم و بدون نیاز به روش بهینه‌سازی، در فرکانس‌های پایین محاسبه‌شده‌اند و سپس با چند تبدیل ماتریسی و روابط مستقیم، مقاومت‌های پارازیتی ترانزیستور در یک نقطه کار متعلق به ناحیه فعال (عدم نیاز به ولتاژ گیت سورس بزرگ‌تر از صفر ولت) محاسبه‌شده‌اند. صحت‌سنجی این روش بهبودیافته به‌وسیله مقایسه شاخص‌های پراکندگی سیگنال کوچک شبیه‌سازی‌شده ترانزیستور با نتایج اندازه‌گیری تا فرکانس 10 گیگاهرتز، انجام‌شده است. نتایج نشان می‌دهد که در باند فرکانسی کاری ترانزیستور درصد خطا کمتر از 4 درصد است. از مزایای این روش نسبت به روش‌های بهینه‌سازی، سرعت ‌بالای تعیین عنصر‌های مدار معادل و پیچیدگی کمتر آن است.

کلیدواژه‌ها

20.1001.1.23454024.1399.8.1.6.1

عنوان مقاله [English]

A Quasi-Analytical Method for Extraction Small-Signal Model Parameters of Microwave Power Transistors with High Electron Mobility Based on Gallium Nitride Technology

نویسندگان [English]

Majid Lorestani ¹
Ramezan Ali Sadeghzadeh ²
Mohammad Naser Moghadasi ³

¹ Islamic Azad University،Science And Research Branch

² Faculty of Electrical Engineering, K.N. Toosi, University of Technology, Tehran, Iran,

³ professor , communications engineering group , islamic azad university , islamic azad university , tehran , iran

چکیده [English]

In the recent decade, GaN HEMT power transistors have gained increasing popularity among radar power amplifier designers. To design a microwave power amplifier using a GaN HEMT transistor, we need a large-signal model for the transistor, which accurately characterizes its behaviour. The first step to implement large-signal modelling is to build small signal modelling. The small-signal model of a transistor can be apportioned into two extrinsic and intrinsic parts. For the extraction of intrinsic elements, the extrinsic elements should be extracted at first. In this paper, The Parasitic capacitors and inductors of a typical transistor are calculated directly and without the need for optimization at low frequencies using measurement results in different operating conditions. And then with a few matrix conversions and direct relationships, the parasitic resistors of the transistor at a bias point belong to the active region (no need for gate-source voltage greater than zero) are calculated. The improved method is verified by comparing the simulated small-signal S-parameter with the measured data up to 10GHz. Results indicate that the error is less than 4% in the operating frequency band of the transistor. In comparison with counterpart optimization methods, this method takes less time and is less complicated.

کلیدواژه‌ها [English]

Gallium nitride transistor
Small signal model
extrinsic elements
intrinsic elements

مراجع

S. Dahmani, “Large-Size AlGaN/GaN HEMT Large-Signal Electrothermal Characterization and Modeling for Wireless Digital Communications, ” Ph.D. Thesis, Kassel Univ, Germany, 2011.##

[2] E. S. Mengistu, “ Large-signal modeling of GaN HEMTs for Linear Power amplifier Design, Ph.D. Thesis, Kassel Univ, Germany, 2008.##

[3] A. Jarndal, “Large-Signal Modeling of GaN Device for High Power Amplifier Design,” Ph.D. Thesis, Kassel Univ, Germany, 2006.##

[4] A. Rezaei and Z. Cheraghi, “Design and Construction of 100W Solid State Pulse Amplifier by using CW Amplifier Modules,” Radar, vol. 4, pp. 39-48, 2017.(In Persian)##

[5] G. Dambrine, A. Cappy, F. Heliodore, and E. Playez,“ A New Method for Determining the FET Small-Signal Equivalent Circuit,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 36, No. 7, pp. 1151 - 1159, 1988.##

[6] A. Khusro, S. Husain, M. S. Hashmi, M. Auyuneur and A. Q. Ansari, “A Reliable and Fast ANN Based Behavioral Modeling Approach for GaN HEMT, ”16th International Conference on Synthesis, Modeling, Analysis and Simulation Methods and Applications to Circuit Design (SMACD), pp. 277-280, 2019.##

[7] A. H. Jarndal, A. S. Hussein, “Hybrid small‐signal model parameter extraction of GaN HEMTs on Si and SiC substrates based on global optimization.” Int J RF Microw Comput Aided Eng. Vol. 29, No. 10, pp. 1-10, 2019.##

[8] A. Khusro, M. S. Hashmi and A. Q. Ansari, “Enabling the development of accurate intrinsic parameter extraction model for GaN HEMT using support vector regression (SVR),”IET Microwaves, Antennas & Propagation, Vol. 13, No. 9, pp. 1457-1466,2019.##

[9] G. Crupi et al., “Accurate Multibias Equivalent-Circuit Extraction for GaN HEMTs, ” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 10, pp. 3616-3622, 2006.##

[10] V. Nagarajan et al., “A Simple Extraction Method for Parasitic Series Resistances in GaN HEMTs Considering Non-Quasi-Static Effects, ” Microelectronics Journal, Vol. 87, pp. 51-54, 2019.##

[11] G. Chen, V. Kumar, R. S. Schwindt and I. Adesida, “A low gate bias model extraction technique for AlGaN/GaN HEMTs, ” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 54, No. 7, pp. 2949-2953, 2006.##

[12] CLF1G0060-30, “Broadband RF power GaN HEMT,” https:// ampleon.com/general-purpose-wideband/50-v/CLF1G0060-30.html, 2018.##

[13] P. M. White, and R. M. Healy , “Improved Equivalent Circuit for Determination of MESFET and HEMT Parasitic Capacitances from Coldfet Measurements,” IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 3, No. 12, pp. 453-454, 1993.##

[14] A. Jarndal and G. Kompa, “A new small-signal modeling approach applied to GaN devices, ” in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 53, No. 11, pp. 3440-3448, 2005.##

[15] R. Tayrani, J. E. Gerber, T. Daniel, R. S. Pengelly and U. L. Rohde, “A new and reliable direct parasitic extraction method for MESFETs and HEMTs, ” 23rd European Microwave Conference, pp. 451-453,1993.##

[16] J. A. Z. Flores, “Device Characterization and Modeling of Large-Size GaN HEMTs, ” Ph.D. Thesis, Kassel Univ, Germany, 2012.##

[17] S. Lee, H. K. Yu, C. S. Kim, J. G. Koo and K. S. Nam, “A novel approach to extracting small-signal model parameters of silicon MOSFET's, ” IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 7, No. 3, pp. 75-77, 1997.##

[18] R. G. Brady, C. H. Oxley and T. J. Brazil, “An Improved Small-Signal Parameter-Extraction Algorithm for GaN HEMT Devices,” IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 56, No. 7, pp. 1535-1544, 2008.##