Osciladores GaN HEMT con amortiguadores

Área de la Ciencia:

• Ciencias de los materiales e ingeniería
• Ingeniería eléctrica
• Física de los dispositivos de semiconductores

Sus antecedentes:

• Los transistores de alta movilidad de electrones de nitruro de galio (GaN-HEMT) ofrecen velocidades de conmutación superiores, alta densidad de potencia y eficiencia, lo que los hace ideales para aplicaciones de electrónica de potencia y radiofrecuencia (RF).
• Sin embargo, los dispositivos GaN-HEMT enfrentan desafíos de confiabilidad debido al desajuste de la rejilla de autocalentamiento y sustrato, lo que requiere diseños de circuitos avanzados para la estabilidad a largo plazo.
• Los GaN-HEMT en modo de agotamiento son particularmente relevantes para aplicaciones de RF, lo que impulsa la necesidad de diseños de osciladores robustos.

Objetivo del estudio:

• Investigar y mejorar las técnicas de diseño de tres tipos de osciladores de frecuencia fija GaN-HEMT de banda ancha con amortiguadores de salida integrados.
• Evaluar el rendimiento y la fiabilidad de estos osciladores GaN-HEMT, centrándose en el ruido de fase, la figura de mérito (FOM) y la estabilidad operativa en diversas condiciones.
• Proporcionar información para el diseño de circuitos de RF basados en GaN de alto rendimiento y fiables.

Principales métodos:

• Diseño y simulación de un oscilador HEMT de un solo extremo GaN sobre SiC con una red de retroalimentación LC.
• Desarrollo de un oscilador equilibrado que incorpora una red de LC de línea de transmisión izquierda para la generación de señales diferenciales.
• Implementación de un oscilador controlado por voltaje (VCO) GaN HEMT de acoplamiento cruzado que utiliza inductores en forma de 8 para mejorar el factor Q y la supresión de ruido.

Principales resultados:

• El oscilador de un solo extremo alcanzó 8,85 GHz con una potencia de salida de 2,4 dBm, -124,8 dBc/Hz de ruido de fase a 1 MHz de desplazamiento y un FOM de -199,8 dBc/Hz. Las pruebas de esfuerzo de soporte caliente indicaron beneficios de fiabilidad al operar el núcleo a baja alimentación y el amortiguador a alta alimentación.
• El oscilador equilibrado funcionó a 3,818 GHz, produciendo un ruido de fase de -131,73 dBc/Hz a 1 MHz de desplazamiento y un FOM de -188,4 dBc/Hz, con una degradación del ruido de fase observada a altas tensiones de alimentación.
• El VCO cruzado demostró un FOM de -190.09 dBc/Hz a 6.397 GHz, beneficiándose de inductores de drenaje para la mejora del factor Q y inductores en forma de 8 para la supresión de ruido.

Conclusiones:

• Los diseños de osciladores GaN-HEMT investigados demuestran un potencial significativo para aplicaciones de RF de alto rendimiento.
• Las topologías de circuito optimizadas, incluido el uso de redes de retroalimentación específicas y diseños de inductores, son cruciales para lograr un ruido de fase superior y FOM.
• El estudio proporciona valiosas directrices de diseño para mejorar la fiabilidad y el rendimiento de los osciladores basados en GaN.