چکیده

امروزه با استفاده از مدار های مجتمع مایکرویوی به منظور کاربرد های تجاری و نظامی بسیار مورد توجه قرار گرفته است،خصوصا با ظهور مدار های مجتمع یکپارچه مایکرویوی که امکان ساخت تقویت کننده ها در ابعاد بالا ،با دقت کافی و قیمت مناسب را فراهم می سازند وتقویت کننده های توان ک بلوک انتهایی در مسیر فرستنده به کار گرفته می شوند ،از جمله مداراتی هستند که در این زمینه بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.تقویت کننده های توان بالا به دلیل توان زیاد مصرفی در ترانزیستور ها ،گرمای زیادی رو سطه تراشه ایجاد می کنند.اتلاف بخشی از توان مصرفی این تقویت کننده ها سبب بالا رفتن دمای کانال ترانزیستور ها  و سطح تراشه می شود.بالا رفتن دمای کانال ،سبب تنزل عملکرد مدار و در نهایت منجر به خرابی کامل تراشه می شود.لذا لازم است،این گرما از داخل تراشه به خارج آن هدایت شود.استفاده از گرماخور به منظور خنک کردن کف تراشه ،از روش های معمول می باشد.با این وجود هدایت گرمایی پایین گالیم ارسناید،امکان خنک سازی تراشه هایی که از این نوع زیر لایه استفاده می کنند را محدود ساخته است.در اینجا سعی داریم با مدل سازی مدار کامل به بررسی دمایی قسمت های مختلف تراشه پرداخته بطوریکه دمای تراشه و خصوصا دمای کانال از مقدار مطمئن آن در پروسه بالاتر نرود .از طرف دیگر قابلیت اطمینان تنها به بررسی دمایی محدود نمی شود و لازم است بررسی هایی در صول طراحی تقویت کننده و تست مدارات در نظر گرفته شود.لذا با طراحی یک تقویت کننده کامل 10 وات در باند فرکانسی x   وKu در پروسه (0.25um pHEMTGaAs) همراه با در نظر گرفتن نکات قابلیت اطمینان در طول طراحی و تست های مربوط پس از ساخت به بررسی این موضوع پرداخته ایم

کلمات کلیدی :قابلیت اطمینان،تقوست کننده توان بالا،شبیه سازی گرمایی،تکنولوژی GaAs ،ترانزیستور pHEMT ، تنزل عملکرد مدار ،خرابی ها.

فهرست مطالب

فصل اول

۱ – ۱ مقدمه :

تقویت کننده ها یکی از کلیدی ترین بلوک های سازنده سیستم های مایکروویو” و فرکانس رادیویی میباشند که مشخصات آن روی رفتار کلی سیستم بشدت اثر می گذارد ، از این حیات طراحی مناسب این بلوکها دارای اهمیت زیادی میباشد. تقویت کننده ها خود به دسته های متفاوتی تقسیم می شود که تقویت کننده توان یکی از مهمترین اعضای این دسته شناخته میشود. در اینجا قصد داریم به طراحی و ساخت تقویت کننده های توان در فرکانس مایکروویو و یکی از مهمترین الزامات این نوع تقویت کنندهها یعنی قابلیت اطمینان آن بپردازیم.در این بخش قصد داریم ابتدا نگاهی اجمالی به تقویت کننده های توان و جایگاه آن در یک سیستم فرستنده داشته باشیم. سپس کمی درباره مدراهای مجتمع مایکروویو یکپارچه و تکنولوژی های مور-جود آن صحبت کرده دلايل انتخاب تکنولوژی مورد استفاده در این پروژه را بررسی می کنیم . در ادامهبه بحث اهمیت قابلیت اطمینان در تراشه ها ومشکلاتی که سبب خرابی یک تراشه میشوند،میپردازیم.

1-1 مقدمه 1

1-2- تقویت کننده توان 2

1-3-MMICs و تکنولوژیهای ساخت آن 4

1-4 گالیم ارسناید 5

1-5 pHEMTا  8

تعریف MTBF

تعریف MTBF

فصل دوم:قابلیت اطمینان و تضمین کیفیت

برای هر کاربردی لازم است کاربر اطمینان لازم از عملکرد صحیح مدار در طول زمان مشخص و شرایط محیطی تعیین شده را داشته باشد. خرابی زمانی رخ میدهد که ترکیب نیروی استرسی های وارد شده به قسمتی خاکس از حد توان آن قسمت بیشتر باشد. وابسته به کاربرد هر مدار، انتظارات متفاوتی از قابلیت اطمینان آن وجود دارد. این انتظارات توسط ثبت قسمت های مختلف پروسه ساخت، انجام بازرسی بصری و تست های مختلف طول عمر، تست می شود. استرسی های وارد شده ناشی از عواملی مانند دما، شرایط محیطی و ولتاژی میباشد. این استرس – ها دو نوع خرابی کوتاه مدت و بلند مدت ایجاد می کنند. خرابی های کوتاه مدت معمولا ناشی از بی -قاعدگی پروسه ساخت می باشند که توان تراشه را نسبت به استرسی که به آن وارد می شود کاهش می -دهد. خرابیهای بلند مدت که در اثر عملکرد تراشه در طول زمان ایجاد می شوند، براساس خواص شیمیایی و فیزیکی تکنولوژی ساخت، طراحی و مواد به کار رفته در محصول و مهمتر از آن میزان استرسی های محیطی وارده، توزیع می پذیرد. معمولا در اثر گذشت زمان و تکرار استرس های واردهای مختلف در قسمت های مختلف، توان تحمل مدار کاهش مییابد. بنابراین به تدریج باعث تنزل عملکرد مدار در طول زمان و در نهایت خرابی کامل مدار می شود. خرابی ها دسته بندی های متفاوتی دارند. طبقه بندی خرابیها می تواند به صورت زیر باشد:

 ۱- خرابی تنزلی: فاصله گرفتن یک پارامتر محصول از مقدار اولیه آن بطوریکه محصول نتواند عملي خو د را په درستی انجام دهد.

۲- خرابی فاجعه آمیز: اتمام عمر اجزا و در نتیجه خرابی کامل محصول. فاکتورهای عمومی در سرعت رشد خرابیهای نیمه هادی شامل دما، سطح ولتاژ، قطبیت، پیچیدگی، ماده پایه، تخلیه الکترواستاتیکی و رطوبت میباشد.

2-1 خواص گرمایی گالیم ارسناید 13

2-2 قابلیت اطمینان pHEMT 14

2-3- بررسی قابلیت اطمینان تقویت کننده های توان 15

2-4 انواع خرابیها در MMIC و علت به وجود آمدن آنها 17

2-5 مکانیزم های خرابی 20

2-6 تستهای قابلیت اطمینان 31

دماهای مختلف در تست شوک حرارتی

دماهای مختلف در تست شوک حرارتی

فصل سوم:طراحی تقویت کننده توان

تقویت کننده ی توان همانطور که از نامش پیداست بلوکی است دو قطبی، که توان منبع تغذیه را به توان سیگنال RF خروجی تبدیل می کند. در این تبدیلی توان، مثل هر تبدیل توان دیگری اتلاف توان صورت می گیرد که از نسبت توان خروجی به نسبت توان ورودی تقویت کننده بازدهی آنرا میتوان محاسبه نمود. در تقویت کننده های خطی، نسبت توان خروجی به توان سیگنال ورودی ضریب بهره را تشکیل می دهد در حالیکه در تقویت کننده های غیر خطی (سوئیچینگ) توان خروجی همواره ثابت بوده و در حداکثر مقدار خود میباشد. بنابراین در این تقویت کنندهها ضریب بهره بدرستی تعریف نمی شود و یا بسیار زیاد است. با توجه به این که تقویت کنندهٔ های خطی بهره ی بیشتری دارند، بنابراین در این پروژه تنها از تقویت کننده های خطی استفاده شده است. به طور کلی تقویت کننده های خطی، در چهار کلاس AB B ،A و C طراحی می شوند که عملاً در این بین کلاس های A و AB بترتیب به علت خطی بودن و بازده مناسب تر، بیش از دیگر انواع تقویت کننده ها استفاده میشوند. از طرفی جهت گرفتن بیشترین بهره تقویت کننده ها در ماکزیمم رسانایی انتقالی آنها بایاس می شوند که سبب می شود ترانزیستورها در کلاسی AB بایا میں شمونائ۔ در این پروژه می خواهیم یک تقویت کننده توان با خروجی Watt 10 و حداکثر PAE ممکن طراحی کنیم که در باند فرکانسی X-Ku Band) 8-14 GHZ) کار کند.

3-1 انتخاب ترانزیستور ها 42

3-2 پایدار سازی اولیه 47

3-3 Load Pull-Source Pull  50

3-4- طراحی مدار شماتیک 54

3-5- نتایج مدار شماتیک 63

3-6- طراحی جانمایی مدار 65

3-7 نتایج نهایی تقویت کننده 73

3-8 بررسی حساسیت ها 78

زیرلایه پروسه استفاده شده

زیرلایه پروسه استفاده شده

فصل چهارم:نتایج حاصل از اندازه گیری

۱-۴ مقدمه

 در این بخش قصد داریم نتایج اندازه گیریهای انجام شده برای تقویت کننده ی ۱۰ وات را مورد بررصي قرار دہیم ۔ در ادامه ابتدا به بررسی پارامترهای پراکندگی تقویت کننده می پردازیم سپس به سراغ توان خروجی اندازه گیری شده تقویت کننده می رویم و کمی درباره چگونگی بررسی پایداری تقویت کننده صحبت خواهیم کرد. در نهایت این نتایج را با نتایج سایر تقویت کنندههای مشابه ای که در مقالات معتبر آمده است، مقایسه می کنیم.

۶-۴ خرابیهای حاصلی:

در حین تست بعضی از چیپ ها دچار آسیب شدند، علت این آسیب ها موارد مختلفی از جمله تخلیه الکتریکی توسط کاربر در حین تست می باشد بنابراین توصیه می شود که کاربر حتما در حین کار با چیپ به زمین متصل باشد. از طرف دیگر چیپ باید به خوبی خنک شود و گرمای سطح کانال به بیرون منتقل شود بنابراین چسب خوب و گرماخور خوب از موارد ضروری در تست میباشند در ادامه به چند نوع خرابی می چردازیم: شکل زیر سوختگی ترانزیستورها در چند ناحیه را نشان میدهد. در تمام سوختگی ها درین و سورس اتصال کوتاه شده و جریان عبوری زیاد شده و خطوط نیز اسیب می بینند

4-1 مقدمه 85

4-2 پارامتر های پراکندگی 86

4-3 توان خروجی تقویت کننده و بازده آن 89

4-4- بررسی پایداری تقویت کننده 94

4-5- تست های انجام شده جهت بررسی قابلیت اطمینان چیپ ها 96

4-6- خرابیهای حاصل 103

ساختار عمومی ادوات HEMT

ساختار عمومی ادوات HEMT

فصل پنجم:نتیجه گیری

در این پروژه یک تقویت کننده توان بالای پهن باند که باند فرکانســـی X را به طور کاملی و بخشی از باند فرکانسیل Kul را نیز شامل می شد در پروسسه PHEMT-(ia AS طراحی و ساخته s عوامل متقدمی که در تقويـــــت کننده های توان مطرح می شود بحث پایداری l .شده است قابلیت اطمینان این مدارات است که در فصل سوم و چهارم به طور کامل بررسی شده است. در ادامه نیز جادولی مقایسه عملکرد این تقويت کننده با سایر تهويت کننده هایی توان مطرح زیراین فرکانسں ديله میشود.ملاحظه می شود پهنای باند این تقویت کننده در مقایسه با سایر تقویت کننده ها بسیار بیشتر بوده و همچنین از بازده بهتری نیز برخوردار است. از طرف دیگر این مزایا به توان خروجی آن لطمهای نزده و همچنان توان آن نسبت به بسیاری از این تقویت کنندهها بهتر است. لازم به ذکر است که اندازه گیری ها در حالت CW) انجام شده و در صورتیکه مانند بسیاری از سایر تقویت کننده ها در حالت پالسی اندازه می گرفتیم، به نتایج بهتری نیز دست می یافتیم. زیرا در حالت پالسی تقویت کننده فرصت کافی برای گرم شدن و خراب شدن عملکرد آن را ندارد.

5-1-کارهای آینده

در ادامه همین کار تستهای قابلیت اطمینان باید کامل شوند و پارامترهایی چون MTTF محاسبه گرند که این کار بسیار زمانبر است. ارائه روشی جهت اندازه گیری مطمئن پارامتر پراکندگی خروجی نیز بسیار مفیادہ وضعروری می باشاد۔ از مشکلات این چیپ فضای زیادی است که اشغال می کند که البته این محدودیت حاصل از ترانزیستورهای در دسترسی ما بود. با ارائه ترانز سیتورهایی با عرضی بالاتر می توان همین توان را در سطح کمتری بدست آورد که نیاز به اندازاگیری تک ترانزیستور و بدست آوردن پارامترهای مدل سیگنال کوچک و سیگنال بزرگ آن میباشد. این کار بسیار حساس بوده و نیاز به دستگاه های اندازه گیری با دقت بالا می باشد. از آنجایی که پارامترهای پراکندگی این تقویت کننده مناسب نمیباشند، ساخت یک تقویت کننده ی ۳۰ وات توسط جمع کردن توان دو تا از این نوع تقویت کننده با لانژ کوپلز نیز می – تواند در کارهای آینده قرار گیرد. در این صورت علاوه بر جمع شدن توان پارامترهای پراکندگی به میزان قابل توجهی بهبود مییابند.

5-1 کار های آینده 109

ساختار یک ترانزیستور p-HEMT پیاده سازی شده روی زیرلایه GaAs

ساختار یک ترانزیستور p-HEMT پیاده سازی شده روی زیرلایه GaAs

فهرست شکل ها

شکل 1-1 بلوک دیاگرام سیستم گیرنده –فرستاده یک گوشی همراه 2

شکل 1-2 ساختار عمومی ادوات HEMT 9

شکل1-3 ساختار یک ترانزیستور p-HEMT پیاده سازی شده روی زیر لایه GaAs 10

شکل1-4 زیر لایه پروسه استفاده شده 11

شکل2-2 یک نمونه MTTF اندازه گیری شده 40

شکل3-1نمودار gm ترانزیستور  um 150*8  برحسب ولتاژ گیت 44

شکل3-2 پارامتر های پراکندگی ترانزیستور 44

شکل3-3 نتایج شبیه سازیهای CST ohysic studio  برای ترانزیستور 2*4*150   45

شکل3-4 دوایر پایداری مربوط به Source  و Load  ترانزیستور 47

شکل 3-5 شبکه مقاومت خازن سری شده با گیت جهت پایدار سازی 48

شکل3-6 دوایر پایداری مربوط به Source  و Load  ترانزیستور پس از پایدار سازی 48

شکل 3-7 مدارات پایدار سازی تک ترانزیستور 49

شکل 3-8 نمودار گین یک ترانزیستور بر حسب توان ورودی 50

شکل3-10 مدار کلی تقویت کننده 55

شکل3-11 مدار در نظر گرفته شده برای هر قسمت مدار تطبیق 56

شکل3-12 مدار تطبیق ورودی جهت تطبیق با امپدانس بدست آمده از Source Pull   56

شکل3-13  مدار تطبیق ورودی جهت تطبیق با امپدانس بدست آمده از Load Pull 56

شکل 3-14 مدار تطبیق طبقه وسط جهت تطبیق با امپدانس بدست آمده از Load Pull ترانزیستور های ورودی 57

شکل 3-15 مدار تطبیق طبقه وسط جهت تطبیق با امپدانس بدست آمده از Source Pullترانزیستور های خروجی 57

شکل 3-16 مدار تطبیق طبقه وسط جهت اندازه گیری تلفات 58

شکل3-17 مدار نهایی تقئیت کننده برای اندازه گیری تفات بازگشتی خروجی و ورودی و گین 58

شکل3-18 فاصله بین نقاط مختلف مدارات تطبیق در نیمه مدار 59

شکل3-19 خازن 1.5 pf پروسه و نمودار مقدار آن 61

شکل3-20 مدار شماتیک 63

شکل3-21 تلفات بازگشتی مدار نهایی شماتیک 63

شکل3-22 گین یسگنال کوچک شماتیک تقویت کننده 64

شکل3-24 توان و PAE  مدار شماتیک تقویت کننده 65

شکل3-25 پارامتر mu تقویت کننده 67

شکل3-26 تنظیمات شبیه سازی برای بررسی این ناپایداری نوع فرد 69

شکل 3-27 امپدانس فیدبک یکی از حلقه های مدار 70

شکل3-28 جانمایی نهایی تقویت کننده 71

شکل3-29 تلفات بازگشتی مدار نهایی 73

شکل 3-30 گین سیگنال کئچک نهایی 73

شکل3-31 گین سیگنال بزرگ نهایی 74

شکل3-32 توان خروجی و PAE نهایی 74

شکل3-33 توان خروجی و PAE بر حسب توان ورودی 75

شکل3-34 هارمونیک های توان خروجی 76

شکل3-35 حالت زمانی ولتاژ بار خروجی 76

شکل3-36 رفتار زمانی مدار 77

شکل 3-37 شکل زمانی ولتاژ دو سر خار های انتهایی 78

شکل 3-38 Load Pull  تقویت کننده نهایی در فرکانس 10 GHz   79

شکل 3-39 Source Pull تقویت کننده نهایی در فرکانس 10 GHz  80

شکل 3-40 پارامتر های سیگنال کوچک تقویت کننده بازای تغییر سیم های باند  81

شکل3-41 بررسی حساسیت به خازن پارازیتیک ورودی ترانزیستور 82

شکل3-42 بررسی حساسیت به خازن پارازیتیک خروجی ترانزیستور 82

شکل 4-1 مدار ساخته شده 10 وات 85

شکل4-2 مدار تست شده 86

شکل4-3 تلفات بازگشتی ورودی (s11) 87

شکل4-4 تلفات بازگشتی و مقایسه با شبیه سازی 87

شکل4-5 تلفات بازگشتی خروجی (s22)  88

شکل4-6 بهره توان (s21)88

شکل4-7 s21 و مقایسه آن با شبیه سازی 89

شکل4-8 ایزولاسیون (s 12 ) 89

شکل 4-9 توان خروجی تقویت کننده (p out) با ورودی ثابت 25 دیبیام (Pin =25 dBm) 90

شکل4-10 مقتیسه توان اشباع شبیه سازی و اندازه گیری 91

شکل4-11 توان خروجی تقویت کننده (p out) با ورودی ثابت 25 دیبیام (Pin =25 dBm) 91

شکل 4-12 توان خروجی تقویت کننده (p out) با ورودی ثابت 25 دیبیام (Pin =25 dBm) 92

شکل 4-13 بازده تقویت کننده در حالت اشباع (Saturated PAE) 92

شکل4-14 اندازه گیری P1dB در فرکانس 11 گیاگاهرتز 93

شکل4-15 روش تست پایداری سیگنال کوچک 94

شکل4-16 روش تست پایداری سیگنال بزرگ 95

شکل4-17 سیگنال های موجود در Spectrum  96

شکل4-18 توان خروجی در دماهای مختلف به ازای ورودی  25dBm  97

شکل4-19 بازده در دماهای مختلف به ازای ورودی  25 dBm 98

شکل4-20 اندازه گیری دمای چیپ شماره 1  99

شکل 4-21 اندازه گیری دمایی چیپ شماره 2    99

شکل4-22 دمای چیپ باا شبیه سازی  CST MPHYSICS STUDIO 100

شکل4-23 دمای چیپ با چسب غیر یکنواخت 100

شکل4-24 گین سیگنال بزرگ تقویت کننده قبل و بعد تست عمر 101

شکل4-25 سوختگی حاصل از اتصال کوتاه شدن سورس و درین 104

شکل4-26 تجمع فلزات در یک ناحیه 105

شکل4-27 سوختگی کامل چیپ 106

نتایج شبیه سازی های CST Physic Studio برای ترانزیستور 2×4×150

نتایج شبیه سازی های CST Physic Studio برای ترانزیستور 2×4×150

فهرست جداول

جدول 1-1 مقایسه زیر لایه های مختلف 6

جدول 1-2 مقایسه ادوات پیاده سازی شده روی زیر لایه های مختلف 7

جدول1-3 خواص پروسه ارائه شده توسط شرکت سازنده MMIC  11

جدول2-1 مسئول اصلی هر یک از مکانیزم های خرابی 20

جدول2-2 سیکل دمایی در شرایط مختلف 35

جدول2-3 دماهای مختلف در تست شوک حرارتی 36

جدول 3-1 بیشترین دما و توان خروجی ترانزیستور های مختلف 46

جدول 3-2  Load و Source  بهینه برای 4 ترانزیستور طبقه ورودی 54

جدول3-4 Load و Source  بهینه برای 16 ترانزیستور  طبقه خروجی 54

جدول3-5 انداره المانها در مدار جانمایی نهایی 72

جدول4-1 جریان نشتی گیت 102

جدول5-1 پارامتر های تقویت کننده توان طراحی شده پس از ساخت 108

جدول5-2 جدول مقایسه رفتار تقویت کننده ساخته شده و گزارش شده 109


Abstract:

Nowadays, using of microwave integrated circuits in military and industry applications has been became popular, especially with the advent of monolithic microwave integrated circuits which provide possibility of fabrication of amplifiers in large volume with high precision and appropriate cost. Power amplifiers as the last block of transmitters, are such circuits that are too attractive in this area. Since high power amplifiers consume a lot of power in transistors, large amount of heat will be in the surface of chip, Loss of some of consumed power in amplifiers results increasing transistor’s channel and chip surface temperature. Increase in channel temperature results degradation in circuit performance and at last total chip failure. So, this heat should be conducted to the outside of the chip. Using typical heat sinks in order to cool bottom of the chip is one of the most common ways. However, low GaAs thermal conductivity, limit feasibility of cooling chips which are fabricated in this process. Here, we attempt to check the temperature of different parts of the chip with complete circuit thermal modeling and be sure that chip temperature especially channel temperature will not exceed than the reliable value for this process. On the other hand, reliability is not limited to temperature problems and some checks during design of amplifier and measurement should be applied. So, with designing of a complete 10 watt amplifier in XKu frequency bands in 0.25 um GaAs process with considering reliability points during design and related measurements after fabrication, we have studied this subject.

Key Words: reliability, high power amplifier, thermal simulation, GaAs technology, pHEMT transistors, performance degradation, failure,


تعداد صفحات فایل : 120

مقطع : کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

خرید فایل pdf و سفارش فایل word

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید