TY - THES A1 - Tomaz de Carvalho, Antonio T1 - A novel system for characterization of GaN-based low-noise amplifiers T1 - Ein neuartiges System zur Charakterisierung von rauscharmen GaN-Verstärkern N2 - Although low-noise amplifiers (LNA) are designed to amplify low RF power levels, there are possibilities that they receive high RF powers as front-end radios and electronic warfare receiver systems. Commonly, this high power levels are not desired. Due to such applications and demands, robust LNA are required. The GaN-based HEMT low-noise amplifiers are being considered an established technology used on different applications for telecommunications systems and radars. The GaN-based LNAs can handle high RF input powers, and they still keep functional. These GaN-based robust LNAs have several advantages, as no limiters are required to protect them against high RF input powers. As a result, these robust LNAs have a simplified RF receiver architecture and are cheaper to manufacture. However, the GaN HEMTs LNAs are known to show significant memory effects, which also play a negative role when a high RF input power level is received by the LNA and drives it into compression. After degradation of the LNA performance, it needs time to recover to its normal small-signal operation mode. This time is called recovery time. This is an important measurement parameter, once some applications require receivers to work immediately after a high RF input power was received, especially for pulse-radar applications. The main focus of this thesis is on the implementation of a novel measurement setup suitable to characterize the GaN-based robust LNAs and their recovery time. First, the system concept was implemented step by step using different instruments. The whole system setup has been programmed to work remotely, to perform the measurement and to save the results automatically. A software based on Matlab script language was developed and integrated to the system setup in order to control the test equipment. The setup allows for simultaneous measurements and data acquisitions. The setup can perform recovery time measurements in time domain, can measure the reflected power and also monitor the drain current of the LNA. A pulse signal is used as overdrive signal to stress the LNA with high-power levels, which can be variously defined in width and period according to the target application. This overdrive signal can also be monitored and measured during the recovery time characterization. The core of the measurement system is an PNA-X vector network analyzer, which allows the characterization of small-signal gain recovery time. The reflected power is measured using a power sensor, while the drain current is monitored using an oscilloscope. In order to validate the system setup, three different GaN LNAs were used. Finally, the system was extended to work also for 5 GHz frequency band. The results shown in this thesis enables for innovative future research activities on robust LNAs. N2 - Obwohl rauscharme Verstärker (LNA) für die Verstärkung niedriger HF-Leistungspegel ausgelegt sind, kann es vorkommen, dass sie als Empfänger für Front-End-Systeme und elektronische militärische Anlagen hohe HF-Leistungen empfangen. Diese hohen Leistungspegel sind in der Regel nicht erwünscht. Die rauscharmen HEMT-Verstärker auf GaN-Basis gelten als etablierte Technologie, die in verschiedenen Anwendungen für Telekommunikationssysteme und Radargeräte eingesetzt werden. Die GaN-basierten LNAs können hohe HF-Eingangsleistungen aushalten und bleiben dennoch funktionsfähig. Diese robusten LNAs auf GaN-Basis weisen einige Vorteile auf, da keine Limiter für den Schutz vor hohen HF-Eingangsleistungen benötigt werden. Es ist jedoch bekannt, dass GaN-HEMTs-LNAs signifikante Memory-Effekte aufweisen, die auch eine negative Rolle spielen, wenn der LNA einen hohen HF-Eingangsleistungspegel empfängt und ihn in die Kompression bringt. Nach der Beeinträchtigung der LNA's Funktion, benötigt dieser eine gewisse Zeit, um zu seinem normalen Kleinsignalbetrieb zurückzukehren. Diese Zeit wird als Erholungszeit bezeichnet. Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Implementierung eines neuartigen Messaufbaus, der geeignet ist, die GaN-basierten robusten LNAs und ihre Erholungszeit zu charakterisieren. Der gesamte Aufbau wurde so programmiert, dass er ferngesteuert arbeitet, die Messung durchführt und die Ergebnisse automatisch speichert. Eine auf Matlab-Skriptsprache basierende Software wurde entwickelt und in den Systemaufbau integriert, um die Messgeräte zu steuern. Der Messaufbau ermöglicht gleichzeitige Messungen und Datenerfassungen. Der Aufbau kann Erholungszeitmessungen im Zeitbereich durchführen, die reflektierte Leistung messen und auch den Drainstrom des LNA erfassen. Ein Pulssignal wird als Übersteuerungssignal verwendet, um den LNA mit hohen Leistungspegeln zu belasten, die je nach Anforderung, in Breite und Periode unterschiedlich definiert werden können. Dieses Übersteuerungssignal kann auch während der Charakterisierung der Erholungszeit erfasst und gemessen werden. Um den Messaufbau zu verifizieren, wurden drei verschiedene GaN-LNAs verwendet. Zunächst wurden zwei GaN-LNAs getestet, die für das X-Band entwickelt wurden. Ein LNA wurde mit einer traditionellen zweistufigen Topologie hergestellt. Der zweite wurde als robuster LNA auf der Grundlage der Stacked-Technologie entwickelt. Diese LNAs wurden mit der GaN-Prozesslinie der Ferdinand-Braun-Institut gGmbH (FBH) hergestellt. Schließlich wurde das Messsystem weiterentwickelt, dass es auch im 5-GHz-Frequenzband funktioniert. Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse ermöglichen innovative zukünftige Forschungsaktivitäten an robusten LNAs. KW - Amplifier KW - LNA KW - Robust KW - GaN KW - Microwave KW - Rauscharmer Verstärker KW - Robustheit KW - Überlastfall KW - MMIC KW - RF und Mikrowellentechnik KW - MMIC KW - Rauscharmer Verstärker KW - Galliumnitrid KW - HEMT KW - Überlast Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-68446 ER - TY - THES A1 - Gerlich, Stefan T1 - Fully monolithically integrated X-band amplifiers with frequency selective feedback T1 - Vollständig monolithisch integrierte X-Band Verstärker mit frequenz-selektiver Rückkopplung N2 - The thesis addresses the design of monolithically integrated radio frequency amplifiers for X-band applications. The focus is on low-voltage low-noise amplifiers and efficient power amplifiers with high output power level. The challenge here is to realize stable amplifiers with remarkable performance metrics at low supply voltages. The general approach for stabilization amplifiers in the above frequency range is the use of a cascode topology which, however, requests higher supply voltages then single transistor operation. By using a special passive frequency-selective feedback, the use of the cascode topology could be avoided, and the amplifiers are stabilized over the entire frequency spectrum. Simultaneously, this feedback is used to neutralize the intrinsic feedback of the transistor at operating frequencies. As a result, a frequency dependent performance degeneration of the transistor can be mitigated. This work describes the influence of the passive frequency-selective feedback. Its usage as well its limitation are explained using the examples of a realized low noise amplifier and different power amplifiers. Further, the design of radio frequency amplifiers at X-band frequencies that employs silicon-germanium heterojunction bipolar transistors is described. All amplifiers were either incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology or in a 0.35 µm SiGe:C bipolar technology. The main achievements of this work include: - A 8.7 GHz narrow-band low noise amplifier incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. The noise figure is 2.2 dB and the gain 28 dB at a supply voltage of 3 V. The low noise amplifier was subsequently used for a design of a double-balanced I/Q mixer. - Two packaged high efficient power amplifiers operating at a center frequency of 12 GHz. They are incorporated in a 0.35 µm SiGe bipolar technology. One amplifier uses a transformer-based output matching network and achieves 30.9 % of power-added efficiency and 23.9 dBm of maximum output power at a supply voltage of 1.8 V. The second amplifier utilizes an LC-balun for impedance matching at the output and a power-added-efficiency of 38 % at 1.8 V is measured. The maximum output power was 23.4 dBm. - A power amplifier in a 0.35 µm SiGe bipolar technology that uses power combining techniques to achieve 30 dBm (1 W) and 30 % of power-added efficiency at 10 GHz and 2 V supply voltage. - Two power amplifiers, incorporated in a 0.25 µm SiGe:C BiCMOS technology, demonstrating the capability of a non-advanced SiGe process to be used for radio frequency power applications. Power combining techniques, the use of the passive frequency-selective feedback and layout optimization enables the realization of power amplifiers which exhibit an output power of 30 dBm and a power-added efficiency of 35 % at supply voltages lower as 2.6 V. N2 - Die Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung von monolithisch integrierten Hochfrequenzverstärkern für X-Band Anwendungen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf rauscharmen Niederspannungs-Verstärkern und effizienten Leistungsverstärkern mit hoher Ausgangsleistung. Die Herausforderung hierbei ist es stabile Verstärker mit markanten Leistungswerten bei niedrigen Versorungsspannungen zu realisieren. Der allgemeine Ansatz zur Stabilisierung von Verstärkern im genannten Frequenzbereich erfolgt über die Verwendung einer Kaskode, welche jedoch höhere Versorungsspannung benötigt als der Einsatz eines einzelnen Einzeltransistor. Durch den Einsatz einer speziellen passiven frequenzselektiven Rückkopplung konnte die Verwendung einer Kaskoden-Topologie vermieden werden und die Verstärker werden über das gesamte Frequenzspektrum stabilisiert. Gleichzeitig ermöglicht die eingesetzte Rückkopplung eine Neutralisierung der intrinischen Rückkopplung des Transistors. Infolgedessen kann die frequenzbedingte Leistungsverschlechterung des Transistors abgeschwächt werden. Diese Arbeit beschreibt den Einfluss der passiven frequenzselektiven Rückkopplung. Ihre Verwendung als auch ihre Anwendungsgrenzen werden anhand eines realisierten rauscharmen Verstärkers und verschiedenen Leistungsverstärkern erklärt. Weiterhin wird der Entwurf von Hochfrequenzverstärkern für X-Band Frequenzen erläutert, die Siliciumgermanium Heterostruktur-Bipolartransistor verwenden. Alle Verstärker wurden entweder in einer 0.25 µm SiGe:C BiCMOS-Technologie oder in einer 0.35 µm SiGe:C Bipolar-Technologie realisiert. Wichtige Ergebnisse, die in dieser Arbeit enthalten sind: - Ein 8.7 GHz schmalbandiger rauscharmer Verstärker, welcher in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie gefertigt wurde. Die Rauschzahl beträgt 2.2 dB und die maximale Verstärkung 28 dB bei einer Versorgungsspannung von 3 V. Dieser Verstärker wurde im Anschluss für das Design eines doppelt-symmetrischen Mischers verwendet. - Zwei hoch effiziente und gehäuste Leistungsverstärker, welche bei einer Mittenfrequenz von 12 GHz betrieben werden. Sie wurden in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie realisiert. Ein Leistungsverstärker verwendet als Ausgangsanpassnetzwerk einen Transformator und erreicht einen Leistungswirkungsgrad von 31.5 % und eine Ausgangsleistung von 23.9 dBm bei einer Versorungsspannung von 1.8 V. Der zweite Verstärker verwendet zur Impedanzanpassung einen LC-Balun am Ausgang und es wurde ein Leistungswirkungsgrad 37.9 % bei 1.8 V gemessen. Die maximale Ausgangsleistung betrug 23.4 dBm. - Ein Leistungsverstärker in einer 0.35 µm SiGe Bipolar-Technologie welcher durch Leistungskombinierung eine Ausgangsleistung von 30 dBm (1 W)und einen Leistungswirkungsgrad von 30 % erreicht. Die Versorgungspannung liegt bei 2 V. Zwei Leistungsverstärker, gefertigt in einer 0.25 µm SiGe:C BiCMOS-Technologie, demonstrieren die Möglichkeit einen weniger fortschrittlichen SiGe-Prozesses für Hochfrequenz-Leistungsanwendungen zu verwenden. Leistungskombinierung, die Verwendung der passiven frequenzselektiven Rückkopplung und Layoutoptimierung ermöglichten die Realisierung von Leistungsverstärkern mit 30 % Ausgangsleistung und einem Leistungswirkungsgrad von 35 % bei Versorgungsspannungen unter 2.6 V. KW - Amplifier KW - PA KW - X-Band KW - SiGe KW - Rauscharm KW - Leistungsverstärker KW - Verstärker KW - Low-Noise KW - SiGe KW - X-band KW - Hochfrequenzverstärker KW - Leistungsverstärker Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-39255 ER -