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Robuste rauscharme GaN Verstärker : Untersuchung und Limitierung der Ausgangsleistung im Überlastfall

Rugged low-noise GaN amplifiers : investigation and limitation of the output power under overdrive condition

  • Stetig steigende Leistungen der Leistungsverstärker in den Sender-Empfängermodulen zwingen den rauscharmen Verstärker zu einem immer höheren Schutz am Eingang. Aufgrund hoher Durchbruchspannungen bieten GaN HEMTs eine robuste Eingangsstufe, womit ein Schutz des LNA Eingangs und die damit verbundene Verschlechterung der Rauschzahl unnötig wird. Allerdings nützte dieser Schutz nicht allein den rauscharmen Verstärker, da nachfolgende Stufen durch die hohen Ausgangsleistungen der GaN LNAs zerstört werden können. Daher widmet sich diese Arbeit der Untersuchung von robusten rauscharmen GaN Verstärkern sowie verschiedener Schaltungen zum Schutz der nachfolgenden Stufen vor einer zu hohen Eingangsleistung, wobei die Rauschzahl unbeeinflusst bleiben soll. Da eine robuste Eingangsstufe relevant für diese Arbeit ist, wurden neuartige Designs von robusten GaN LNA MMIC untersucht. Einerseits wurde ein LNA MMIC Chip mit einer gestapelten Eingangsstufe entwickelt, womit die Eingangsleistung und entsprechend die Robustheit erhöht werden konnte. InStetig steigende Leistungen der Leistungsverstärker in den Sender-Empfängermodulen zwingen den rauscharmen Verstärker zu einem immer höheren Schutz am Eingang. Aufgrund hoher Durchbruchspannungen bieten GaN HEMTs eine robuste Eingangsstufe, womit ein Schutz des LNA Eingangs und die damit verbundene Verschlechterung der Rauschzahl unnötig wird. Allerdings nützte dieser Schutz nicht allein den rauscharmen Verstärker, da nachfolgende Stufen durch die hohen Ausgangsleistungen der GaN LNAs zerstört werden können. Daher widmet sich diese Arbeit der Untersuchung von robusten rauscharmen GaN Verstärkern sowie verschiedener Schaltungen zum Schutz der nachfolgenden Stufen vor einer zu hohen Eingangsleistung, wobei die Rauschzahl unbeeinflusst bleiben soll. Da eine robuste Eingangsstufe relevant für diese Arbeit ist, wurden neuartige Designs von robusten GaN LNA MMIC untersucht. Einerseits wurde ein LNA MMIC Chip mit einer gestapelten Eingangsstufe entwickelt, womit die Eingangsleistung und entsprechend die Robustheit erhöht werden konnte. In dieser Arbeit wird ein verbessertes Design des gestapelten GaN LNA MMIC vorgestellt, dessen Verstärkung von mehr als 23 dB und ein Rauschmaß von 2,6 dB im C-Band Frequenzbereich erreicht. Anderseits wurde ein neuartiger multiband GaN LNA MMIC für die Frequenzen 0,8 GHz; 1,8 GHz und 3,6 GHz entwickelt. Dieser erreicht eine Verstärkung von mehr als 29 dB bei 0,8 GHz und mehr als 34 dB bei 3,6 GHz mit einer maximalen Verstärkung von 34,9 dB bei 1,8 GHz sowie einen minimalen Rauschmaß von 2,2 dB bei 3,6 GHz. Der multiband LNA MMIC ist mit einen OIP3 von mehr als 36dBm bei 3,6 GHz hochlinear. Weiterhin wurde für den gestapelten und den multiband GaN LNA MMIC die Robustheit mittels eines hochohmigen Widerstands in der Gate Versorgung verbessert. Im Rahmen der Charakterisierung von GaN Verstärkern zeigt sich, dass der Gate DC und Drain DC Strom Indikatoren jeweils für die Kompression und Sättigung der Ausgangsleistung im Überlastfall darstellen. Der Zusammenhang zwischen dem Gate DC Strom und dem Überlastfall war der Ausgangspunkt für die Entwicklung der Schaltungen zur Limitierung der Ausgangsleistung, um die nachfolgenden Stufen des LNAs zu schützen. Daher wird dieser Strom zum Schalten eines Ausgangsdämpfungsglieds sowie einer adaptiven Drain DC Versorgung verwendet. Das Ausgangsdämpfungsglied wurde als ein GaN HEMT in Common-Gate Konfiguration an den Ausgang eines robusten GaN LNAs auf einen Chip geschalten, wodurch im Überlastfall eine Dämpfung von 29 dB erreicht wird. Weiterhin konnte durch die adaptive Drain DC Versorgung, welche als eine hybride Schaltung mit einem robusten GaN LNA MMIC als Kern entwickelt wurde, eine Dämpfung von 28 dB erzielt werden. Sowohl für das Ausgangsdämpfungsglied als auch für die adaptive Drain DC Versorgung blieben die Kleinsignal Verstärkung und das Rauschmaß des GaN LNA MMICs unbeeinflusst.show moreshow less
  • Continuously increasing power amplifier performance in the transceiver module forces the low-noise amplifier to provide more and more protection at the input. Due to high breakdown voltages, GaN HEMTs enables a rugged input stage, thereby eliminating the need for protection at the input and the resulting poorer noise performance. However, this protection didn’t benefit the low-noise amplifiers alone, because subsequent stages can be destroyed by the high output powers of GaN LNAs. Therefore, this work focuses on the investigation of rugged low noise GaN amplifiers, as well as different circuits to protect the subsequent stages against too high input power, while keeping the noise performance unaffected. Since a rugged input stage is relevant for this work, innovative designs of rugged GaN LNA MMIC were investigated. On the one hand, an LNA MMIC chip with a stacked input stage was developed, thus increasing the input power and consequently the ruggedness. In this paper, an improved design of the stacked GaN LNA MMIC is presented,Continuously increasing power amplifier performance in the transceiver module forces the low-noise amplifier to provide more and more protection at the input. Due to high breakdown voltages, GaN HEMTs enables a rugged input stage, thereby eliminating the need for protection at the input and the resulting poorer noise performance. However, this protection didn’t benefit the low-noise amplifiers alone, because subsequent stages can be destroyed by the high output powers of GaN LNAs. Therefore, this work focuses on the investigation of rugged low noise GaN amplifiers, as well as different circuits to protect the subsequent stages against too high input power, while keeping the noise performance unaffected. Since a rugged input stage is relevant for this work, innovative designs of rugged GaN LNA MMIC were investigated. On the one hand, an LNA MMIC chip with a stacked input stage was developed, thus increasing the input power and consequently the ruggedness. In this paper, an improved design of the stacked GaN LNA MMIC is presented, whose gain of more than 23 dB and noise figure of 2.6 dB are achieved in C-band frequency range. On the other hand, a novel multiband GaN LNA MMIC was developed for the frequencies of 0.8 GHz, 1.8 GHz and 3.6 GHz. This achieves a gain of more than 29 dB at 0.8 GHz and more than 34 dB at 3.6 GHz, with a maximum gain of 34.9 dB at 1.8 GHz and a minimum noise figure of 2.2 dB at 3.6 GHz. Furthermore, the multiband LNA MMIC is highly linear with an OIP3 of more than 36dBm at 3.6 GHz. In addition, for the stacked and multiband GaN LNA MMIC, the ruggedness was improved using a high ohmic resistor in the gate supply. Based on the characterization of GaN amplifiers, the gate DC and drain DC currents are indicators for the compression and saturation of the output power in the overload condition, respectively. The correlation between the gate DC current and the overload condition was the starting point for the development of the circuits to limit the output power in order to protect the subsequent stages of the LNA. Therefore, this current is used to switch an output attenuator as well as an adaptive drain DC supply. The output attenuator was connected as a GaN HEMT in common-gate configuration to the output of a rugged GaN LNAs as on-chip solution, which achieved an attenuation of 29 dB in the overload case. An attenuation of 28 dB could be achieved by the adaptive drain DC supply, which was developed as a hybrid circuit switching a GaN LNA MMIC. The small-signal gain and noise figure of the GaN LNA MMIC were unaffected for both protect circuits, the output attenuator and the adaptive drain DC supply.show moreshow less

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Metadaten
Author: Evelyne Kaule
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-66035
DOI:https://doi.org/10.26127/BTUOpen-6603
Referee / Advisor:Prof. Dr.-Ing. Matthias Rudolph, Prof. Dr. Tom Keinicke Johansen
Document Type:Doctoral thesis
Language:German
Year of Completion:2023
Date of final exam:2023/12/14
Release Date:2024/01/25
Tag:GaN; HEMT; Rauscharmer Verstärker; Robustheit; Überlastfall
LNA; Low-noise amplifier; MMIC; Overdrive condition; Ruggedness
GND Keyword:Galliumnitrid; HEMT; Rauscharmer Verstärker; Robuste Regelung; Überlastkontrolle
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik
Licence (German):Keine Lizenz vergeben. Es gilt das deutsche Urheberrecht.
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