Схемотехніка аналогових електронних пристроїв
У навчальному посібнику розглянуто теоретичні основи та принципи дії аналогових пристроїв на біполярних та польових транзисторах. Аналізуються основні схеми, що використовуються в аналогових трактах типової радіоелектронної апаратури, наводяться розрахункові формули, що дозволяють визначити елементи принципових схем цих пристроїв по виду частотних, фазових і перехідних характеристик. Викладаються основи побудови різних функціональних пристроїв з урахуванням операційних підсилювачів. Розглянуто також ряд спеціальних питань, з якими доводиться стикатися розробникам аналогових електронних пристроїв – оцінка нелінійних спотворень, аналіз стійкості, чутливості та ін.
Посібник призначений для студентів, які навчаються за напрямами підготовки 552500, 654200 – «Радіотехніка», 654100 – «Електроніка та мікроелектроніка», і може бути корисним для викладачів та науковців.
Схемотехніка аналогових електронних пристроїв
7.2. Підсилювачі діапазону НВЧ
7.2. Підсилювачі діапазону НВЧ[1]
В даний час розроблені та успішно експлуатуються різні системи передачі інформації НВЧ діапазону: радіорелейні лінії, системи космічного зв'язку "Орбіта", "Екран", "Москва" тощо, системи безпосереднього телемовлення діапазону 12ГГц, системи космічної навігації, служби погоди та і т.д.
Як правило, подібні підсилювачі працюють у узгодженому тракті передачі з характеристичним опором 50 та 75 Ом. Тракт передачі може бути реалізований у вигляді хвилеводу, коаксіального кабелю, мікросмужкової лінії тощо.
Як активні елементи в ШУ найчастіше використовують біполярні НВЧ транзистори і польові транзистори з бар'єром Шоттки. БТ використовують у діапазоні частот до 2 ГГц, ПТ збар'єром Шоттки - до 100ГГц.
Транзисторні підсилювачі НВЧ можуть виконуватися за схемами каскадних підсилювачів, розподіленого підсилювачів, каскадно-розподілених і балансних.
У каскадних підсилювачах найчастіше використовують каскади з ОЕ (ОІ), рідше з ПРО (ОЗ) через проблему узгодження з характеристичним опором тракту широкому частотному діапазоні. Оскільки коефіцієнт посилення транзистора зі зростанням частоти зменшується, то розрахунок ШУ та узгодження навантажень проводять для верхньої частоти робочого діапазону. Надмірне посилення в області НЧ і СЧ усувають так званими ланцюгами, що вирівнюють, які можуть бути реактивними і диссипативними (із втратами).
Дисипативні вирівнюючі ланцюги розраховують так, щоб забезпечити необхіднийKP, хороше узгодження з характеристичним опором тракту передачі (малий КСВН) та стійкість у діапазоні робочих частот. У дециметровому діапазоні робочих частот вирівнюючі ланцюги можуть бути реалізовані у вигляді ланцюгів із зосередженими параметрами, більш високочастотному — з розподіленими параметрами. Приклади найпростіших диссипативних ланцюгів, що вирівнюють, наведені на малюнку 7.9, причому більш складний варіант (рисунок 7.9б) — для надширокосмугових підсилювачів (fв/fн>2).
Малюнок 7.9. Найпростіші дисипативні ланцюги, що вирівнюють
Завдання узгодження та вирівнювання коефіцієнта передачі в діапазоні робочих частот полегшується при використанні ООС. При резистивній ООС (рисунок 7.10а) досягається широкосмугове узгодження в каскаді ПТ. У надширокополосних підсилювачах використовують комбіновані резистивно-індуктивні ланцюги ООС (рисунок 7.10б), за допомогою яких здійснюється ефективне вирівнювання АЧХ.
Малюнок 7.10. ООС у НВЧШУ
Підсилювачі з розподіленим посиленням (УРУ) (рисунок 7.11) дозволяють досягти великої потужності вихідного сигналу на низькоомному навантаженні за рахунок складання струмів транзисторів у вихідній лінії. Проте УРУ відрізняє складна схемна реалізація та низький ККД.
Малюнок 7.11. УРУ
Каскадно-розподілені підсилювачі (рисунок 7.12), поєднуючи переваги каскадних і УРУ, дозволяють отримати хороші характеристики потужності в широкій смузі робочих частот при відносно простій схемної реалізації. Вибором Rе1 і Rе2 домагаються однакового посилення струму транзисторів VT1 і VT2. Оскільки вихідні струми транзисторів складаються в навантаженні, то можливе використання даного каскаду на частотах, близьких доfTвикористовуваних транзисторів.
Малюнок 7.12. Каскадно-розподілений підсилювач
Балансні ШУ (рис. 7.13) дозволяють зменшити паразитний зворотний зв'язок між транзисторами при їх каскадуванні, що дозволяє збільшити стійкий коефіцієнт посилення. Наявність спрямованих відгалужувачів істотно збільшує габарити балансових підсилювачів.
Малюнок 7.13. Балансний підсилювач
Для розрахунку НВЧ підсилювачів найбільше широко використовується система S-параметрів (параметрів розсіювання). При цьому транзистор представляють у вигляді чотириполюсника, навантаженого на стандартні опорні опори, як правило, рівні хвильовому опору передавальних ліній, що застосовуються (рисунок 7.14).
Малюнок 7.14. Транзистор як чотириполюсник у системі S-параметрів
Вибір S-параметрів обумовлений відносною простотою забезпечення режиму узгодження на НВЧ (порівняно, скажімо, з режимом короткого замикання при вимірі Y-параметрів), і, отже, коректністю їх експериментальноговизначення, а також ясним фізичним змістом, а саме:
Для аналізу передавальних характеристик НВЧ підсилювальних пристроїв також використовують узагальнений метод вузлових потенціалів, еквівалентні Y параметри визначаються через виміряні параметри розсіювання:
Параметри розсіювання транзистора (або будь-якого чотириполюсника) можна розрахувати за його еквівалентною схемою, використовуючи той самий узагальнений метод вузлових потенціалів:
деkij- нормувальний коефіцієнт, рівний:
Зважаючи на складність еквівалентних схем підсилювальних елементів та наявність розподілених структур, розрахунок передавальних характеристик підсилювачів НВЧ діапазону можливий тільки за допомогою ЕОМ. Використовуючи сучасні пакети проектування РЕУ, бази даних елементів та готових схемних рішень, розробники мають можливість, не проводячи дорогого натурного моделювання, отримати очікувані реальні значення передавальних характеристик. За допомогою ЕОМ можливе побудова оптимальної топології підкладки підсилювачів, що дозволяє повністю автоматизувати процес проектування підсилювачів НВЧ.
В даний час транзисторні НВЧ підсилювачі виконуються, як правило, у гібридно-інтегральному виконанні або у вигляді напівпровідникової інтегральної мікросхеми (монолітна технологія) зі стандартною напругою живлення. Як підкладка при гібридному виконанні найчастіше використовуються полікор, сапфір. Пасивні елементи виконуються за тонко-або товстоплівковою технологією. Найкращим матеріалом виконання контактних майданчиків, перемичок, висновків безкорпусних транзисторів є золото. Корпуси НВЧ підсилювачів виконують з металу, що має однаковий температурний коефіцієнт розширення з підкладкою матеріалом (наприклад, полікор-титан). Для підключення НВЧ підсилювачів до тракту передачівикористовують НВЧ рознімання різної конструкції.
Найсучаснішою є технологія виконання НВЧ підсилювачів за монолітною технологією. Цьому сприяли успіхи у створенні високоякісного епітаксійного арсеніду галію з високою однорідністю параметрів за площею великих розмірів, промислово освоєна технологія отримання польових транзисторів з довжиною затвора до 0,5мкм, вивчення методів розрахунку та дослідження технології виготовлення зосереджених пасивних елементів промислове освоєння технології селективного іонного легування арсеніду галію, створення математичних моделей активних та пасивних елементів у поєднанні з розвитком методів машинного проектування.
При виготовленні ІВ НВЧ підсилювачів у більшості випадків використовується напівізолюючий арсенід галію. Його конкурентом є сапфір, який використовується у технології "кремній на сапфірі". В ІВ міліметрового діапазону хвиль як підкладка застосовується чистий кремній.
При створенні ІВ НВЧ процеси схемотехнічного проектування, конструювання та технології нероздільні. Технологія виготовлення ІВ НВЧ заснована на використанні унікальних властивостей арсеніду галію у поєднанні з методами іонної імплантації. Ізолювальні властивості підкладки з арсеніду галію, що має питомий опір до 10 9 Ом·см, дають можливість виготовити на одному кристалі арсеніду галію ІВ, що містить активні прилади, пасивні ланцюги НВЧ та схеми живлення.
Перевагою ШУ НВЧ, виконаних у вигляді монолітних ІВ, є малі габаритні розміри та маса, широка смуга робочих частот через відсутність стикувань та паразитних реактивностей, зменшення частки ручної праці, відтворення робочих характеристик тощо.
До недоліків ІС НВЧ підсилювачів єскладність технології виготовлення, високі витрати на розробку, низький відсоток виходу придатних схем, складність із відведенням тепла від активних елементів, найгірші електричні параметри (без підстроювання). Підстроювання можливе, якщо у схемі та конструкції передбачена можливість зміни режиму роботи активних елементів та параметрів коригувальних ланцюгів, ланцюгів ООС тощо. Для ІВ, виконаних за монолітною технологією, проводять розбракування за допустимим інтервалом допусків.