Dipartimento di Elettronica,Informatica e Sistemistica

(DEIS)

M d lli li i di di iti i Modelli non-lineari di dispositivi elettronici in GaN per la

progettazione di circuiti per TLC

Sara D’Angelog

S O 2S O 2°° O C C OO C C OSEMINARIO 2SEMINARIO 2°°ANNO, XXIII CICLO ANNO, XXIII CICLO 14 Ottobre 200914 Ottobre 2009

Sommario

• Panoramica sui sistemi di telecomunicazione

• Ruolo fondamentale dell’amplificatore di potenza nei moduli T/Rche costituiscono le antenne

• Proprietà e vantaggi della tecnologia in GaN

• Importanza dei modelli di dispositivi elettronici nella progettazionedi circuiti

Problemi affrontati Problemi affrontati

Approcci utilizzati per risolverli

Risultati ottenuti

2

• Conclusioni e attività future

Sistemi di telecomunicazione

RADAR PONTI RADIOTERRESTRI

ANTENNAOGGETTO

TERRESTRI

APPLICAZIONI:

SATELLITARI

• Localizzazione di oggetti

• Telerilevamento e

APPLICAZIONI:

Telerilevamento e osservazione del suolo

• Ambito difesaAPPLICAZIONI:• Ambito meteorologico

• …

APPLICAZIONI:

telefoniche, televisive, radiofoniche, trasmissione dati,…

3Potenze dai W all’ordine dei KW !!!

Antenna SAR (Synthetic Aperture Radar)

ANTENNA SAR

PANEL 1 PANEL 2 PANEL 3 PANEL n…

PANELTILE MODULO T/R

TILE 1TILE 2TILE 3TILE 4

HIGH POWERAMPLIFIER

DRIVERAMPLIFIER

VARIABLEATTENUATOR

PHASESHIFTER

PANEL

…TILE 4TILE 5 SWITCH

LIMITERLOW NOISEAMPLIFIER

TILE n

4

Amplificatore di Potenza stadio finale

POWER AMPLIFIER

Quanto più il dispositivo è in grado di generare livelli di potenza elevati

• diminuisce il numero di dispositivi

• amplificatori piccoli ed efficienti

Tanto più:

• semplificazione sistema complessivo

5! Importanza della tecnologia con cui realizzare i dispositivi !

HEMT AlGaN/GaNVd

HEMT AlGaN/GaNDRAIN DRAINGATESOURCE

Vgs

Vds

GATE+++++++++++

+++++++

2 DEG

doped AlGaN

Vds

SOURCE 2-DEGundoped GaN

substrate:SiC

Vgs

PROPRIETA’ :• elevate densità di correnti

alta densità potenza RF !!alta efficienza !!• elevate densità di correnti

• elevate tensioni di uscita

ità di t t t di l l t ( lt 200°C)

alta efficienza !!alta immunità alle radiazioni !!

• capacità di sopportare temperature di canale elevate (oltre 200°C)

• elevata conducibilità termica del substrato SiC + buone proprietà isolanti

il GaN accresciuto su SiC si presta bene alla realizzazione di circuiti integrati monolitici 6

Tecnologia monolitica e importanza modellilifi di 0 G

Proprietà dei MMICAmplificatore di potenza 10 GHz

Alto livello di integrazione

Dimensione ridotte Migliori prestazioni

4.7

mm

Migliori prestazioni

Impossibilità di tuning del circuito a posteriori 4 mm

Bisogna giungere al momento della realizzazione con la sicurezza che il circuito rientri nelle specifiche desiderateche il circuito rientri nelle specifiche desiderate

Importanza degli strumenti CAD Importanza degli strumenti CAD

NECESSITA’ DI MODELLI ACCURATI PER

7

NECESSITA DI MODELLI ACCURATI PERCOMPONENTI ATTIVI E PASSIVI

Modelling della corrente di drain

Di

P

AP POTENZA ASSORBITA DALL’ALIMENTAZIONE

Gv DvinP outP

POTENZA RFDI USCITA

POTENZA RFIN INGRESSO

DP POTENZA DISSIPATA

Accurata predizione della corrente di drain dinamica: 0( ) ( )D D di t I i t

( )out inP PPAE

Buona stima di altre quantità critiche:

POWER ADDED EFFICIENCY( )out in

A

PAEP

POWER ADDED EFFICIENCY:

D A outP P P POTENZA DISSIPATA:influenza tutte queste quantità

8C DR P TEMPERATURA INTERNA:

D A out

0 0( )A D DP V I

Modelling della corrente di drain resistiva

DiGv Dv effetti visibili solo

alle alte frequenze

COMPONENTE RESISTIVA

COMPONENTECAPACITIVA

+

CONDIZIONI DINAMICHE A BASSA FREQUENZA

9

COMPONENTE DELLA CORRENTE DI SPOSTAMENTO TRASCURABILE

Fenomeni dispersivi

Variazioni termiche Presenza di trappoleVariazioni termiche Presenza di trappole

Variazioni della temperatura interna del dispositivo

• difetto o impurità del cristallo che può bloccare per un certo tempo unainterna del dispositivo

(riscaldamento/raffreddamento)dovute a differenti condizioni difunzionamento

può bloccare per un certo tempo unaquantità di carica mobile

• si trovano all’interfaccia tra i diversit ti di t i l h tit i funzionamento strati di materiale che costituiscono

il dispositivo

!! Fenomeni lenti (costanti di tempo grandi)!!

!! Fortemente dipendenti dal bias !!

!! Fenomeni lenti (costanti di tempo grandi)!!

10

Funzionamento statico

Di0.4

0.5CARATTERISTICA STATICA

Gv Dv0.2

0.3

STATICA STATICA

5 10 15 20 25 300 35

0.1

0.0

5 10 15 20 25 300 35

Vds [V]GRIGLIA DI VALORI DI TENSIONI

,G Dv vGvla temperatura e le trappole

hanno il tempo di modificare il lorostato e di riadattarlo alla nuova

condizione

Dvstato termico e di intrappolamento di carica

11

stato termico e di intrappolamento di carica diversi in ogni punto della

caratteristica

Funzionamento impulsato

0.4

0.5

DiCARATTERISTICA IMPULSATA

0.2

0.3

Gv Dv

5 10 15 20 25 300 35

0.1

0.0

5 10 15 20 25 300 35

Vds [V]

GRIGLIA DI VALORI DI TENSIONIGv ,G Dv v

la temperatura e le trappole non hanno il tempo di modificare il loro

stato e di riadattarlo alla nuova

DvBIAS

condizione

stato termico e di intrappolamento di carica

12

* *,GS DSv vBIAS stato termico e di intrappolamento di carica

“congelati” al valore assunto incorrispondenza del bias

Confronti statica/impulsata

0.4

0.5( )Di tstessa coppia di tensioni

applicata (Vgs, Vds)

0.3

0.4 app cata ( gs, ds)MA

diverse correnti !!!

0 1

0.2

5 10 15 20 25 300 35

0.1

0.0

Vds [V]

( ) [ ( ) ( ) ]i F X ( ) [ ( ), ( ), , ]D G Di t F v t v t X

tt di i bili i bil i d t ll vettore di variabili corrispondente allo stato di intrappolamento di carica

variabile corrispondente allo stato termico del dispositivo

13

Approcci di modelling semplificati

V _ D CS R C 1V d c = V g i V

D C _ F e e dD C _ F e e d 1

V _ D CS R C 2V d c = V d i V

D C _ B lo c kD C _ B lo c k 2D C _ B lo c kD C _ B lo c k 1

D C _ F e e dD C _ F e e d 2

T e r mT e r m 2

Z = zo u tN u m = ¡ 2

P _ 1 T o n eP O R T 1

F f1P = P a vZ = 5 0N u m = 1

fe t_ g a n _ 6 x5 0Q 1

*DSV*

GSV

F r e q = f1

0.5

Zload

CORRENTE DI DRAIN IMPULSATA

0.3

0.4

[]

* *V VBIAS

5 10 15 20 25 300 35

0.1

0.2

0.0

,GS DSV V

5 10 15 20 25 300 35

Vds [V]

stato termico e stato di intrappolamento di carica rimangono congelati al valore in cui si trovano in corrispondenza del bias e NON dipendono

dalla forma del segnale 14

Risultati modello basato su impulsata

200

mA]

200

mA]

Zload 1 Zload 2

180

190

ain

Cur

rent

[m

180

190

ain

Cur

rent

[m

DC Drain Current DC Drain Current

0 5 10 15 20 255 30

170

160

DC

Dra

0 5 10 15 20-5 25

170

160

DC

Dra

0 5 10 15 20 25-5 30

Source Available Power [dBm]

0 5 10 15 20-5 25

Source Available Power [dBm]

185 Zload 3

175

180ur

rent

[mA]

DC Drain Current

165

170

DC

Dra

in C○○○○ Misure

Modello solo impulsata

0 5 10 15 20-5 25

160

Source Available Power [dBm]

D

15

Question !

La caratteristica impulsata è sufficiente a descrivere correttamente qualsiasi

comportamento dinamico del dispositivo ???

…OVVERO…

Lo stato termico e lo stato di

…OVVERO…

Lo stato termico e lo stato di intrappolamento di carica variano

quando applico al dispositivo un segnale quando applico al dispositivo un segnale di forma qualsiasi o rimangono

“congelati” al valore assunto nel punto

16

di bias (come accade nell’impulsata) ???

Idea nuovo modello !!!

La caratteristica impulsata NON è sufficiente a descrivere correttamente qualsiasi

comportamento dinamico del dispositivo!!!

t t t istato termico&

stato di intrappolamento di caricadipendono dal tipo di segnale dipendono dal tipo di segnale

17

Metodo usato: Equivalent voltageIMPULSATA

temperatura e trappole sono “congelate” al

DiGv

gvalore assunto nel bias:

* *,X Gv DvGv

* *( ) [ ( ) ( ) ]i F X

TENSIONE DI GATE tensione di gate l t

* *( ) [ ( ), ( ), , ]D P G Di t F v t v t X

MODIFICATA:realmente applicata G Gv v

tiene conto di come variano, rispetto alla condizione di bias, le trappole e la

temperatura quando è applicato un segnale

18

temperatura quando è applicato un segnale sufficientemente grande

Correzione termica

Stato termico in regime di grande segnale

Stato termico in regime impulsatodi grande segnale impulsato

RFOUTP ceduta al carico grande RF

OUTP ceduta al carico trascurabile

( )RFC D C A OUTR P R P P

* * *( )G P D Dv k P P

kP : coefficiente l h d

potenza dissipata nel punto di bias

di i i i di i

19

scalare che deve essere identificato

potenza dissipata in regime dinamico

Risultati con correzione termica

190

200

[mA]

190

200

[mA]

Zload 1 Zload 2

180

190

rain

Cur

rent

180

190

rain

Cur

rent

DC Drain Current DC Drain Current

0 5 10 15 20 25-5 30

170

160

DC

Dr

0 5 10 15 20-5 25

170

160

DC

Dr

0 5 10 15 20 255 30

Source Available Power [dBm]

0 5 10 15 205 25

Source Available Power [dBm]

185 Zload 3

175

180C

urre

nt [m

A]DC Drain Current○○○○ Misure

Modello con correzione termica

165

170

DC

Dra

in C

Modello con correzione termica

Modello solo impulsata

0 5 10 15 20-5 25

160

Source Available Power [dBm]20

Correzione dello stato delle trappole

Stato di intrappolamento di carica in regime di

Stato di intrappolamento di carica in regime

grande segnale

(grandi componenti AC delle tensioni)

impulsato

(trascurabili componenti AC delle tensioni)

Lo stato di intrappolamento di carica

delle tensioni) delle tensioni)

ppdipende dalla forma d’onda delle

tensioni applicate

[ ]X H V V A C voltage components0 0[ , , ]x G DX H V V A C voltage components=

*X X*X X¹21

X X=X X¹

Approssimazione

0 0[ , , ]x G DX H V V A C voltage components=

con una serie di valide con una serie di valide approssimazioni

finalizzate a semplificare semplificare

l’identificazione e l’implementazione del

modello

2 2X H V V

modello

2 20 0 , , , ,, , , ,x G D G a D a G a D aX H V V v v v v

22

momenti del secondo ordine delle componenti AC di tensione

Modello completo

lineare rispetto alle variabili di controlloGv

* 2 2, , , ,G p D D GG G a DD D a GD G a D av k P P k v k v k v v , , , ,p

kp, kGG , kGD , kDDquattro parametri

tiene in conto delle variazioni termiche del

tiene conto della dipendenza delle trappole

dalla forma del segnalequattro parametri scalari dl modello che devono essere

identificati

dispositivodalla forma del segnale

Gv svanisce in regime impulsato !!!

23

Gv svanisce in regime impulsato !!!

Risultati modello completo…

190

200

[mA]

190

200

[mA]

Zload 1 Zload 2

180

190

ain

Cur

rent

[

180

190

rain

Cur

rent

DC Drain Current DC Drain Current

0 5 10 15 20 25-5 30

170

160

DC

Dra

0 5 10 15 20-5 25

170

160

DC

Dr

0 5 10 15 20 255 30

Source Available Power [dBm] Source Available Power [dBm]

190 Zload 3

175

180

185C

urre

nt [m

A]DC Drain Current

○○○○ Misure

165

170

175

DC

Dra

in CModello completo

Modello solo impulsata

0 5 10 15 20-5 25

160

Source Available Power [dBm] 24

…Risultati modello completo

30

35

40

50

m] 30

35

40

50

m]

Zload 1 Zload 2

15

20

25

20

30

40

PA

E [%]

ut P

ower

[dB

m

15

20

25

20

30

40

PA

E [%

]

ut P

ower

[dB

m

Pout Pout

0 5 10 15 20 25-5 30

10

15

5

10

0

Out

pu

0 5 10 15 20-5 25

10

15

5

10

0

Out

puPAE PAE

Source Available Power [dBm] Source Available Power [dBm]

35 50Zload 3

20

25

30

35

30

40

50

PA

Ewer

[dB

m]

Pout

Zload 3

○○○○ Misure

10

15

20

10

20

E [%

]

Out

put P

ow Pout

PAE

Modello completo

0 5 10 15 20-5 255 0

Source Available Power [dBm]25

Conclusioni

• Messa a punto di un modello per l’accurata predizione della corrente di drain dinamica che tiene in conto della presenza di ff tti di i i l di itieffetti dispersivi nel dispositivo

• Studio sulla possibilità di adattare i risultati ottenuti ad un modellomultibias (dipendenza dei coefficienti K dal punto di bias)( p p )

estrazione di un modello multibias per la banda X (8-12 GHz)

• Realizzando di un banco di misura per l’identificazione deiffi i ti K ll b fcoefficienti K alle basse frequenze

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Pubblicazioni

“Nonlinear Dispersive Effects Modelling for the Accurate DrainC t P di ti i G N b d Mi P A lifi ”Current Prediction in GaN- based Microwave Power Amplifiers”Alberto Santarelli, Valeria Di Giacomo, Sara D’Angelo, Fabio Filicori,accepted EuMIC 2009 Conf., Rome (Italy), 28 September - 2 October 2009

“Large-signal characterisation of GaN-based transistors for accurate non-li d lli f di i ff t ”linear modelling of dispersive effects”Alberto Santarelli, Rafael Cignani, Valeria Di Giacomo, Sara D’Angelo, Fabio Filicori,submitted to INMMIC 2010 Conf., Göteborg (Sweden), 26-27 April 2010

“GaN highly efficient HPA for X and Ku-band SAR and Altimeter Application”g y ppAlberto Santarelli, Valeria Di Giacomo, Rafael Cignani, Sara D’Angelo, Fabio Filicori,report progetto ESA PROPOSAL No. VMO/EQSI/RM/40-07

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