ＦＥＴ寬帶小信號等效電路的研究

摘 要：介紹了一種確定寬帶FET小信號等效電路參數(shù)的一種方法。該方法基于FET內(nèi)部器件的Y參數(shù)(Z參數(shù))進(jìn)行分析，從中得到與頻率無關(guān)的等效電路參數(shù)(電容、電感、電阻值)，根據(jù)模型可以得到任意指定頻率下的電路等效模型或某頻帶內(nèi)的參數(shù)均值。通過仿真測試，該等效模型在高達(dá)25 GHz頻帶范圍頻率變化，器件參數(shù)保持恒定，并與實際器件工作狀況非常吻合。

關(guān)鍵詞：寬帶;Y參數(shù);頻率無關(guān);FET

中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004373X(2008)1716803

Research of FET Broadband Small Signal Equivalent Circuit

WU Chao，ZHANG Gang

(Luoyang Institute of Science and Technology，Luoyang，471003，China)

Abstract：A method to determine the broadband small signal equivalent circuit of FET is introduced.This method is based on an analytic solution of the equations for the Y parameters of the intrinsic device and allows direct determination of the circuit elements at any specific frequency or averaged over a frequency range.The validity of the equivalent circuit can be verified by showing the frequency independence of each element.

Keywords：broadband;Y parameters;frequency independence;FET

1 引 言

隨著數(shù)字和模擬集成電路的發(fā)展，精密的器件模型是分析電路非常強(qiáng)大的工具。特別對于高速數(shù)字應(yīng)用領(lǐng)域，需要使用大信號模型來描述有源器件在0~10 GHz以上頻帶范圍的工作特性。檢測FET高頻性能最合適的方法是S參數(shù)測量。對于器件的寬帶工作特性，我們需要對于每一個感興趣的頻率范圍設(shè)置不同偏置點(FET的柵極電壓和源漏電壓)。使用圖1的物理模型，這些大量的S參數(shù)數(shù)據(jù)可以減少為15個與頻率無關(guān)的變量。

已經(jīng)表明所謂的“冷態(tài)模型”(源漏電壓Vgs=0)可以將未知參數(shù)的個數(shù)減少到7~8個，這更有利于我們減少計算時間和計算量。在以前的測量方法中就涉及到7個內(nèi)部器件元素。此方法可以非常好地模擬5 GHz以下FET的工作特性，但是在更好頻率上存在誤差。因此本文介紹的方法擴(kuò)展到不受頻率限制的內(nèi)部器件參數(shù)分析，能夠通過S參數(shù)估算25 GHz頻率以下任意的小信號等效模型。

2 理論分析

小信號等效模型如圖1所示。

圖1 FET的小信號等效模型電路分為外部寄生元件和內(nèi)部器件2部分，包含7個未知量。內(nèi)

式(6)~式(12)在漏極電壓高于0 V的整個頻率范圍都適用。在內(nèi)部器件參數(shù)被決定之前需要估算寄生元件參數(shù)，他們可以從“冷模型”中得到。也就是在Vds=0 V而且柵極正向偏置時測量S參數(shù)。進(jìn)入轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的Z參數(shù)，從Z參數(shù)虛部可以得到寄生電感Ls，Ld，Lg，而寄生電阻Rs，Rd，Rg則由Z參數(shù)實部確定。外部pad電容Cpd，Cpg和邊緣電容Cb可以從FET夾斷Vds=0的情況下測量S參數(shù)得到。

3 測 量

我們通過對不同類型的FET測量來驗證這種方法。例如HEMT(Ig=0.6 μm，Wg=50 μm)和MESFET′s以及反向HEMT′s(Ig=1 μm，Wg=250 μm)。后者由于與摻雜的AlGaAs層并聯(lián)表現(xiàn)出比較明顯的低頻特性。試驗頻帶從50 MHz~25 GHz。

4 測量結(jié)果

在較高的柵極電流密度下，柵極電容被電阻短路。Z參數(shù)的虛部在整個頻帶由寄生電容決定，所以呈感性。圖2表明了外部電感與頻率之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)1~25 GHz感值基本恒定。1 GHz以下感值的變化是由于在如此低頻下呈現(xiàn)出非常小的感抗導(dǎo)致測量誤差增大。Z參數(shù)的實部與頻率無關(guān)，可以用來確定寄生柵、源、漏電阻。

在柵極電壓遠(yuǎn)未達(dá)到夾斷電壓時，Y參數(shù)的虛部由器件的電容確定。外部襯底電容和冗余柵極電容與頻率的關(guān)系如圖3所示。再次證明這種等效電路在25 GHz的頻率范圍是有效的。我們還測量了反向HEMT結(jié)構(gòu)在未達(dá)到夾斷的情況，同樣它出現(xiàn)了劇烈的低頻效應(yīng)。如圖4，Y參數(shù)有2個不同斜率的區(qū)域。這是由于摻雜AlGaAs層中導(dǎo)通區(qū)產(chǎn)生的，等效電路如圖5所示。當(dāng)2DEG通道被耗盡，在柵極和導(dǎo)通層之間出現(xiàn)寄生電容Cp。這個電容只在低頻時對電路較大的影響，因為它和AlGaAs層的等效電阻形成了一個RC低通電路。使用圖5的等效電路，我們可以用圖4中高頻段的斜率計算出模型的pad電容。

圖2 外部寄生電感和頻率的關(guān)系圖3 等效電容和頻率的關(guān)系圖4 反向HEMT器件Y參數(shù)虛部圖5 漏極電壓為0，柵壓未達(dá)到夾斷時

反向HEMT器件等效模型我們將本文提出的電路等效模型與之前的電路模型做了一個比較，結(jié)果如圖6所示。在圖6中十字符號表示實際測量的0.6 μm異質(zhì)結(jié)構(gòu)FET結(jié)果，空心圓表示在本文研究的等效電路的模擬結(jié)果，實線表示之前等效電路模擬結(jié)果。很明顯我們的結(jié)果更接近實際測量，特別是在高頻區(qū)域。

圖6 實際情況與仿真情況的比較模型誤差均值Eij同樣顯示在圖6中，同樣可以驗算其他FET的參數(shù)。根據(jù)式(9)和式(12)計算出內(nèi)部參數(shù)gm和gds與頻率的關(guān)系，如圖7所示，它們在頻率范圍之內(nèi)幾乎是常數(shù)，進(jìn)一步驗證了這種等效電路與實際電路非常吻合。

圖7 通過圖6得到的跨導(dǎo)和輸出導(dǎo)納與頻率的關(guān)系這種等效電路不僅精度高而且計算時間幾乎可以忽略，可以計算頻帶范圍內(nèi)任意工作點的小信號等效電路的參數(shù)。

5 結(jié) 語

本文介紹了一種FET寬帶小信號模型的等效電路。這種等效電路可以描述任意頻率下的S參數(shù)或者觀察任意頻率段的小信號器件參數(shù)的均值。可以通過畫出元件參數(shù)-頻率坐標(biāo)圖，觀察它們與頻率的關(guān)系能驗證該等效電路更很好地模擬實際電路的工作情況。同時這種等效模型可以用來模擬5 GHz以下的低頻效應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文