Книга: Дизайн на схеми на аналогови електронни устройства
Урокът разглежда теоретичните основи и принципите на работа на аналогови устройства на биполярни и полеви транзистори. Анализирани са основните вериги, използвани в аналоговите пътища на типично радиоелектронно оборудване, дадени са изчислителни формули, които позволяват да се определят елементите на схемните схеми на тези устройства според необходимия тип честота, фаза и преходни характеристики. Очертани са основите на конструирането на различни функционални устройства на базата на операционни усилватели. Разглеждат се и редица специални въпроси, с които трябва да се сблъскат разработчиците на аналогови електронни устройства - оценка на нелинейни изкривявания, анализ на стабилност, чувствителност и др.
Помагалото е предназначено за студенти, обучаващи се в направленията на подготовка 552500, 654200 - "Радиотехника", 654100 - "Електроника и микроелектроника", и може да бъде полезно за преподаватели и научни работници.
Книга: Проектиране на схеми на аналогови електронни устройства
7.2. Микровълнови усилватели
7.2. Микровълнови усилватели[1]
В момента са разработени и успешно работят различни системи за предаване на информация в микровълновия диапазон: радиорелейни линии, системи за космическа комуникация "Орбита", "Екран", "Москва" и др., Системи за директно телевизионно излъчване в диапазона 12 GHz, системи за космическа навигация, метеорологични услуги и др.
По правило такива усилватели работят в съгласуван път на предаване с характерен импеданс от 50 и 75 ома. Пътят на предаване може да бъде реализиран под формата на вълновод, коаксиален кабел, микролентова линия и др.
Като активни елементи в ШУ най-често се използват биполярни микровълнови транзистори и полеви транзистори с бариера на Шотки. BT се използва в честотния диапазон до 2 GHz, PT сБариера на Шотки - до 100 GHz.
Транзисторните микровълнови усилватели могат да бъдат изпълнени по схемите на каскадни усилватели, усилватели с разпределено усилване, каскадно разпределени и балансирани.
В каскадните усилватели най-често се използват каскади с OE (OI), по-рядко с OB (OZ) поради проблема със съгласуването с характеристичния импеданс на пътя в широк честотен диапазон. Тъй като коефициентът на усилване на транзистора намалява с увеличаване на честотата, изчисляването на нивото на шума и съвпадението на товарите се извършват за горната честота на работния диапазон. Прекомерното усилване в областта на LF и MF се елиминира от така наречените изравнителни вериги, които могат да бъдат реактивни и разсейващи (със загуби).
Дисипативните изравнителни вериги са проектирани да осигурят необходимияKP, добро съвпадение с характеристичния импеданс на предавателния път (нисък VSWR) и стабилност в работния честотен диапазон. В дециметровия диапазон на работните честоти изравнителните вериги могат да бъдат изпълнени под формата на вериги с групирани параметри, в по-висок честотен диапазон - с разпределени параметри. Примери за най-простите дисипативни изравнителни вериги са показани на Фигура 7.9, с по-сложна версия (Фигура 7.9b) за ултрашироколентови усилватели (fv/fn>2).
Фигура 7.9. Най-простите дисипативни изравнителни вериги
Задачата за съгласуване и изравняване на коефициента на предаване в работния честотен диапазон се улеснява при използване на OOS. С резистивна обратна връзка (Фигура 7.10a), широколентовото съгласуване се постига в етапа на FET. В ултрашироколентовите усилватели се използват комбинирани резистивно-индуктивни OOS вериги (Фигура 7.10b), с помощта на които честотната характеристика е ефективно изравнена.
Фигура 7.10. OOS в микровълноваШУ
Усилвателите с разпределено усилване (DGA) (Фигура 7.11) ви позволяват да постигнете висока мощност на изходния сигнал при натоварване с ниско съпротивление чрез добавяне на транзисторни токове в изходната линия. URU обаче се отличава със сложна схема и ниска ефективност.
Фигура 7.11. URU
Каскадно разпределените усилватели (Фигура 7.12), съчетаващи предимствата на каскадата и URU, ви позволяват да получите добри характеристики на мощността в широка работна честотна лента със сравнително проста реализация на веригата. Избирайки Re1 и Re2, те постигат еднакво усилване на тока на транзистори VT1 и VT2. Тъй като изходните токове на транзисторите се сумират в товара, е възможно да се използва това стъпало при честоти, близки доfTна използваните транзистори.
Фигура 7.12. Каскадно разпределен усилвател
Балансираните SHU (Фигура 7.13) намаляват фалшивата обратна връзка между транзисторите, когато са каскадно свързани, което позволява увеличаване на стабилното усилване. Наличието на насочени съединители (NO) значително увеличава размерите на балансираните усилватели.
Фигура 7.13. Балансиран усилвател
За изчисляване на микровълнови усилватели най-широко се използва системата от S-параметри (параметри на разсейване). В този случай транзисторът е представен под формата на четириполюсен, натоварен на стандартни референтни съпротивления, като правило, равен на съпротивлението на вълната на използваните предавателни линии (Фигура 7.14).
Фигура 7.14. Транзисторът като четириполюсник в системата от S-параметри
Изборът на S-параметри се дължи на относителната простота на осигуряване на режима на микровълново съвпадение (в сравнение, да речем, с режима на късо съединение при измерване на Y-параметрите) и следователно на коректността на техните експерименталнидефиниции, както и ясно физическо значение, а именно:
За анализ на характеристиките на предаване на микровълнови усилващи устройства се използва и обобщеният метод на възловите потенциали, еквивалентните Y-параметри се определят чрез измерените параметри на разсейване:
Параметрите на разсейване на транзистор (или който и да е четириполюсник) могат да бъдат изчислени от неговата еквивалентна схема, като се използва същият обобщен метод на възлови потенциали:
къдетоkijе нормализационен коефициент, равен на:
Поради сложността на еквивалентните схеми на усилващите елементи и наличието на разпределени структури, изчисляването на предавателните характеристики на микровълновите усилватели е възможно само с помощта на компютър. Използвайки модерни пакети за проектиране на REU, бази данни от елементи и готови схемни решения, разработчиците имат възможност, без да провеждат скъпа пълномащабна симулация, да получат очакваните реални стойности на преносните характеристики. С помощта на компютър е възможно да се конструира оптималната топология на субстрата на усилвателя, което прави възможно напълно автоматизиране на процеса на проектиране на микровълнови усилватели.
Понастоящем транзисторните микровълнови усилватели обикновено се правят в хибридно-интегриран дизайн или под формата на полупроводникова интегрална схема (монолитна технология) със стандартно захранващо напрежение. Поликор и сапфир най-често се използват като субстрат в хибриден дизайн. Пасивните елементи се изработват по тънкослойна или дебелослойна технология. Най-добрият материал за изработване на контактни подложки, джъмпери, изводи на безкорпусни транзистори е златото. Корпусите на микровълновите усилватели са направени от метал със същия коефициент на термично разширение като материала на субстрата (например поликор-титан). За свързване на микровълнови усилватели към пътя на предаванеизползвайте микровълнови конектори с различни дизайни.
Най-модерната е технологията за производство на микровълнови усилватели по монолитна технология. Това беше улеснено от успеха в създаването на висококачествен епитаксиален галиев арсенид с висока еднородност на параметрите на голяма площ, промишлено разработената технология за получаване на транзистори с полеви ефекти с дължина на затвора до 0,5 μm, изучаването на изчислителните методи и проучването на технологията за производство на групирани пасивни елементи в работния честотен диапазон до 20 GHz, промишленото развитие на технологията за селективно йонно легиране на галиев арсен ide, създаването на математически модели на активни и пасивни елементи в комбинация с разработването на методи за компютърно проектиране.
При производството на интегрални схеми на микровълнови усилватели в повечето случаи се използва полуизолиращ галиев арсенид. Неговият конкурент е сапфирът, използван в технологията силиций върху сапфир. Интегралните схеми с милиметрови вълни използват чист силиций като субстрат.
При създаването на микровълнова ИС процесите на проектиране, конструиране и технология са неразделни. Технологията за производство на микровълнова IC се основава на използването на уникалните свойства на галиевия арсенид в комбинация с методи за имплантиране на йони. Изолационните свойства на субстрата от галиев арсенид, който има съпротивление до 10 9 Ohm · cm, правят възможно производството на един кристал от галиев арсенид на IC, съдържащ активни устройства, пасивни микровълнови вериги и силови вериги.
Предимството на микровълновата SHU, направена под формата на монолитни интегрални схеми, са малки габаритни размери и тегло, широка лента от работни честоти поради липсата на връзки и паразитна реактивност, намаляване на дела на ръчния труд, възпроизвеждане на производителността и др.
Недостатъците на интегралните схеми на микровълновия усилвател сасложност на технологията на производство, високи разходи за разработка, нисък добив на подходящи вериги, затруднено отстраняване на топлината от активните елементи, по-лоши електрически параметри (без настройка). Регулирането е възможно, ако схемата и дизайнът предвиждат възможност за промяна на режима на работа на активните елементи и параметрите на коригиращите вериги, вериги за защита на околната среда и др. За интегрални схеми, произведени по монолитна технология, те се класифицират според допустимия диапазон на толеранс.