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Keysights Indium-Phosphid-IC-Technologie

Für Messgeräte jenseits 100 GHz

15. März 2017, 14:03 Uhr | von Robb Shimon, Mathias Bonse, Mario Righi und Don D’Avanzo

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Herstellung von Hochleistungs-ICs

Die InP-Halbleitertechnologie eignet sich für eine breite Palette von IC-Typen und -Topologien, von einfachen passiven Frequenzvervielfachern und Mischern bis hin zu komplexen symmetrischen Impulsverstärkern und vielstufigen Abschwächern. Die Technologie ist praktisch das Arbeitspferd des Messgeräteentwicklers. InP-Dioden und -Transistoren ermöglichen ICs mit extrem großer Bandbreite, geeignet für große Signalamplituden, rauscharm und mit geringer Verlustleistung. All dies sind wichtige Eigenschaften für Millimeterwellen-Messungen in der Frequenz- und Zeitebene.
Beispielhaft für die Leistungsfähigkeit des InP-HPT-Prozesses der zweiten Generation stehen zwei Mehrzweck-ICs: ein unsymmetrischer gegengekoppelter Verstärker und ein symmetrischer Begrenzerverstärker. Beide ICs wurden durchgängig mit dem EDA Advanced Design System (ADS) von Keysight EEsof entworfen. ADS verfügt über HBT-Transistormodelle von Keysight, die bis 110 GHz validiert sind.

Ein gegengekoppelter Verstärker demonstriert den nutzbaren Frequenzbereich eines Halbleiterprozesses. Ein solcher Verstärker besteht aus einem oder mehreren verkoppelten Transistoren, die insgesamt eine Verstärkerstufe bilden. Dazu kommen zwei Widerstände, die Verstärkung und Rückflussdämpfung der Verstärkerstufe bestimmen.

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Hochleistungs-ICs, Bild 3-6

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Bei hohen Frequenzen reduzieren interne Parasitärkapazitäten im Transistor dessen Verstärkung und begrenzen letztlich so die Bandbreite. Bild 3 zeigt das Prinzipschaltbild und die Ausführung eines jüngst von Keysight hergestellten Designs. In diesem Beispiel ist die Verstärkerstufe als Darlington-Kaskode realisiert, die aufgrund ihrer kleinen Ein- und Ausgangskapazitäten eine große Bandbreite aufweist. Bild 4 zeigt die gemessenen Kleinsignal-S-Parameter. Der Verstärker hat eine Verstärkung von mehr als 10 dB und eine Rückflussdämpfung von 10 dB bei einer 3-dB-Bandbreite von 90 GHz. Damit ist er ein vielseitig einsetzbarer Standardbaustein für Millimeterwellen-Messgeräte.

Als zweites Beispiel für diese Technologie dient ein symmetrischer Begrenzerverstärker. Er eignet sich besonders gut zur Messung digitaler Signale in der Zeitebene. In diesem Verstärker verstärken mehrere kaskadierte Stufen das Eingangssignal. Das bringt die Ausgangsstufe in die Sättigung und erzeugt so eine Signalform mit zwei wohldefinierten Spannungsniveaus und sehr schnellen Übergängen zwischen beiden. Bild 5 zeigt einen dreistufigen Verstärker, bei dem die einzelnen Stufen als Cherry-Hooper- und kaskadierte Differenzverstärkerstufen ausgeführt sind. Bild 6 zeigt das gemessene Ausgangssignal mit 500 mV Amplitude bei einem 5-GHz-Eingangssignal. Mit Flankenzeiten von <4 ps wird dieser Verstärker in Millimeterwellenmessgeräten eingesetzt, die einen extrem geringen Eigenjitter aufweisen sollen.

Implementation hochintegrierter Module

Im Millimeterwellenbereich spielt das Gehäuse-Codesign des MMIC eine wichtige Rolle. Will man die volle Leistungsfähigkeit des MMIC bis an die Frontplatte des Messgeräts oder die Eingangsbuchse des Subsystems bringen, so ist eine detaillierte elektromagnetische 3D-Modellierung unerlässlich.

Die thermisch stabile, zuverlässige Funktion einzelner Bauteile ist das Ergebnis einer genauen thermischen Modellierung und Validierung. Zuletzt erfordert das hohe Maß an Integration in einem Subsystem (nämlich das Zusammenwirken von Millimeterwellen- und Hochfrequenzsignalen sowie analogen und digitalen Schaltkreisen) eine Vielzahl von Gehäusetechnologien, damit man für jede der vielen verschiedenen Anforderung das optimale Verhältnis von Leistung zu Kosten trifft. Bild 7 zeigt eine vollständige Eingangsbaugruppe, auf deren Fläche von 7,5 × 25 cm² proprietäre Hybrid-auf-Leiterplatte-Technik, Präzisions-Dünnschicht- und -Dickschicht-Bauteile sowie SMT-Bauteile versammelt sind.

Test bei Millimeterwellenfrequenzen

Design-Charakterisierung und -Validierung im Millimeterwellenbereich sind sowohl herausfordernd als auch unverzichtbar. Je mehr Daten man messen und mit den entsprechenden Simulationsmodellen in Einklang bringen kann, desto schneller erreicht man im nächsten Entwicklungsstadium des MMIC die gewünschten Eigenschaften. Schaltungen dieser Komplexität erfordern die Anwendung einer Reihe unterschiedlicher Messverfahren, von klassischen S-Parameter-Messungen in der Frequenzebene bis hin zu differenziellen S-Parameter-/Kompressions-/Harmonischen-Messungen, verbunden mit einer Charakterisierung in der Zeitebene.

Literatur

[1] T. Low et al.: GaAsSb DHBT IC Technology for RF and Microwave Instrumentation. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2005.
[2] Robert Shimon et al.: InP IC Technology Powers Agilent’s Infiniium 90000 X-Series Real Time Oscilloscopes. IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium, 2010.
[3] Bandbreiten-Rekord angekündigt. Elek¬tronik Messen+Testen I, 2016, S. 10.

Die Autoren

Robb Shimon
ist MMIC Design Manager für den Bereich IC-Design bei Keysight Technologies. Er hat einen Ph.D. der University of Illinois in Urbana/Champaign.

Mathias Bonse
ist Entwicklungsingenieur im Bereich Compound Semiconductor Devices and Processes bei Keysight Technologies. Er hat einen Master als Elektroingenieur der Pennsylvania State University.

Mario Righi
ist Package- und Test-Manager für den Bereich mm-Wave Module Design bei Keysight Technologies. Er hat einen Ph.D. der University of Victoria, Canada.

Don D’Avanzo
ist Intergration Engineering Manager im Bereich Compound Semiconductor Devices and Processes bei Keysight Technologies. Er hat einen Ph.D. der Stanford University.