Введение
малошумящийусилитель конвертор транзистор
Малошумящий усилитель. Применяетсядля уменьшения шума и повышения чувствительности конвертора. Выбор необходимоготипа МШУ (наряду с шумовыми характеристиками) определяется следующими параметрами:полосой пропускания, стабильностью в работе уровнем насыщения, потреблением энергии,а также стоимостью, габаритными размерами, массой. Основные требования к МШУ следующие:
1) ширина полосы пропусканиядолжна быть не менее заданной (800 МГц);
2) коэффициент усиления долженбыть достаточным для эффективного уменьшения влияния шумов усилительно-преобразовательныхустройств, следующих за ним (обычно составляет 25...35 дБ);
3) коэффициент шума (шумоваятемпература) должен быть к можно меньше (0,7-1,0 дБ);
4) уровень насыщения долженбыть достаточно высоким, в противном случае могут возникнуть нелинейные искажения;
5) амплитудно-частотная характеристикадолжна обладать зад;
ной неравномерностью (обычно±2 дБ), а фазочастотная — линейной
Шумовые характеристики СВЧ-устройствописываются в терминах либо шумовой температуры, либо коэффициентом шума
Наиболее широкое применениев конверторах систем НТВ получили МШУ, собранные на арсенид-галиевых полевых транзисторах.Такие усилители, выполненные на базе ГИС-технологии, можно представить в виде диэлектрическойплаты, на которой нанесён рисунок пассивной схемы и припаяны или приварены навесныеэлементы.
Входные и выходные согласующиецепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, а второйи последующие каскады — на максимальный коэффициент усиления.
Все каскады МШУ строятся какправило на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методомнапыления проводящих материалов на керамическую плату (подложку).
В СВЧ-диапазоне паразитныереактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристикуМШУ. Чтобы исключить этот эффект, транзисторы используют в виде отдельных кристаллов(чипов), которые привариваются к нужным точкам схемы с помощью тонкой золотой проволокидиаметром 15...20 мкм.
Применение активных элементовв корпусном исполнении, хотя и несколько ухудшает параметры МШУ, существенно упрощаетпроцесс сборки, позволяет отказаться от жёсткой герметизации блока, исключить технологическисложные и дорогостоящие процессы золочения, а также заменить подложки из твёрдыхдиэлектриков типа поликора или кварца на мягкие фольгированные материалы типа тефлонаили дюроида.
В СВЧ-диапазоне чаще всегов конверторе применяют схему включения на арсенод-галиевых малошумящих полевых транзисторахс общим истоком, обеспечивающую значительные коэффициенты усиления по напряжениюи току при сохранении хороших вентильных свойств. В схемах МШУ не применяют цепейавтосмещения, так как это позволяет на 0,2...0,3 дБ снизить коэффициент шума МШУ.
Входной МШУ обычно состоит из трех каскадом, собранных на полевых СВЧ-транзисторах. При реализации МШУ надо удовлетворить ряду противоречивыхтребований: обеспечить минимум коэффициента шума, согласованиеусилителя по входу, максимальный коэффициент усиления.Для трехкаскадного МШУ коэффициент шума определяется следующим соотношением: F = F1 + (F2 — 1) / k + (F3 — 1) / k1k2, где F, F1, F2,F3 —коэффициентышума (в относительных единицах) всего усилителя, первого, второго и третьего каскадов соответственно; k1, k2—коэффициенты усиления (и относительных единицах) первого и второго каскадов.
/>В соответствии с приведенным соотношением можно заключить, что первый каскад МШУнадо настраивать по критериюполучения минимального коэффициента шума. Второй каскад настраиваетсяиз компромиссных соображений с точки зрения обеспечения максимума усиления и минимумакоэффициента шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо.Можно заключить, что первые два транзистора МШУ должныобладать особо малым шумом. Такими свойствами обладаютполевые СВЧ-траизисторы, выполненные на гетероэпитаксиальных слоях сложных полупроводниковых соединений. В них подвижность электроновнамного выше, чем в обычных транзисторах. Соответственно их называюттранзисторы с высокой подвижностьюэлектронов (ВПЭ). В английскойтерминологии их называют НЕМТ(High electonic mobility transistor). Например, американская фирма «ДженералЭлектрик» создала НЕМТ на трехслойными структуре п+ AIGaAs/n-GalnAs/GaAs, полученной молекулярно-лучевой эпитаксией, Транзистор имееткоэффициент шума 3 дБ, коэффициент усиления 5 дБ на частоте 94 ГГц. На частоте18 ГГц такой транзистор имеет коэффициент шума 0,6 дБи коэффициент усиления 18 дБ. Это, конечно, рекордныйрезультат, но многие фирмы США, Японии, ФРГ, КНР (пояпонской лицензии) крупными партиями выпускают НЕМТс коэффициентами шума 0,8… 1,2 дБ на частотах 12… 18 ГГц. Эти транзисторы спрессовываются пластмассой либо помещаются в герметичныекерамические корпуса, поэтому их можно использоватьдаже в негерметичной аппаратуре. Итак. классический МШУ, который выпускает любаязарубежная фирма, состоит из двух НЕМТ и одного обычного полевого СВЧ-транзистора. Коэффициент шуматакого МШУ совершенно однозначно определяется шумовыми свойствами НЕМТ. Например, транзистортипа 8900 фирмы «Хитачи» имеет:коэффициент шума 0.8 дБ; коэффициент усиления 11 дБ; при напряженииисток—сток 5 и смещении на затворе 3,5 В.
Как известно, в коэффициент шума МШУаддитивно добавляются потери во входной согласующей цепи, волиоводно-полосковом переходе и потери в цепях автосмещения,если оно используется. Раздельное питание на сток изатвор позволяет выиграть 0,15...0,3 дБ в коэффициентешума конвертора, поэтому в редких случаях в МШУ применяют автосмещение. В МШУ с полосойрабочих частот менее 15% (а в конверторах она не превышает10%) при двухполярном питании практически всегда удается получить коэффициент шума усилителя на волноводном фланце лишь на0,15...0,25 дБ больше, чем коэффициент шума входноготранзистора. В редких случаях в конверторах применяют охлаждение входного транзистора с помощью миниатюрноготермоэлектрического элемента, при этом охлаждение на 50° С снижает коэффициент шума примерно на 20%.
Наибольшее распространениев МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает лучшей устойчивостьюпо сравнению с другими способами включения полевых транзисторов. Успех реализацииусилительного каскада МШУ зависит от качества проектирования согласующих цепей (СЦ).В сантиметровом диапазоне СП выполняются обычно из отрезков микрополосковых линийи печатных катушек индуктивности. Для обеспечения безусловной устойчивости выходныеСЦ обычно выполняют в индс ФНЧ, включающих диссипативные элементы (тонкопленочныерезисторы). Разработаны эффективные методы синтеза оптимальных СЦ одно- и многокаскадныхМШУ на полевых транзисторах.
Анализ устойчивости МШУ производитсяпо тем же методикам, что и для УВЧ-тюнеров, и поэтому не рассматривается.
Опыт разработки авторами МШУна полевых транзисторах показал, что чисто аналитическими средствами трудно спроектироватьусилитель, который будет воспроизводим в серийном производстве, а его параметрыбудут близки к теоретически оптимальным. К МШУ наиболееподходит популярная у разработчиков,СВЧ-узлов поговорка: «Устройство должно работать нев принципе, а в корпусе».Поэтому и начнем с корпуса. МШУ должен размещаться в отдельном отсеке конвертора либо лучше в автономном миниатюрном корпусе, в котором онзаранее монтируется и настраивается, а уж затем устанавливаетсяв конвертор. Отсек для МШУ либо внутренний объем автономного корпусадолжны представлять собой запредельный волновод. Надоучитывать, что часть этого волновода заполнена поликороминым диэлектриком, поэтому его сечение будетменьше, чем у полого запредельного волновода. По опытуавторов можно рекомендовать ширину отсека делать менее 10 мм, а его высоту — менее 8 мм. Известныконструкции зарубежных конверторов, где МШУ экранируется П- или С- образным экраном из фольги.Поскольку истоки полевых транзисторов должны иметь эффективное заземление, то для этоголибо сверлят диэлектрические подложки, либо размещают транзисторы между двух диэлектрических подложек.
После того как разработчиквыбрал тип диэлектрической подложки, способ установки н режим работы транзисторов (ониразличны для обеспеченияминимума коэффициента шума и максимума коэффициентаусиления), он должен провести измерения параметров и шумовых параметров для партии транзисторов, смонтированных на тестовых платах избраннымспособом при нужных электрических режимах. Эти параметрыобычно существенно отличаются от сообщаемых изготовителемтранзисторов ввиду того, что учитывают специфику монтажа.
После того как определеныS-параметры или в крайнемслучае входные и выходные сопротивления н модули коэффициентов передачи транзистора,можно перейти к проектированию СЦ. Лучше всего это делатьна ЭВМ, использовать специальные программы. Мы же рассмотримупрощенную методику.
Согласование, обеспечивающее максимумкоэффициента усиления, называется сигнальным согласованием.В этом случае с. помощью реактивных СЦ обеспечивается минимум КСВ на входе и выходе усилительного каскада в рабочей полосе частот. Второй вариант согласованияназывается шумовым согласованием, когда при достаточно высоком входном КСВ находитсяимпедапс генератора, обеспечивающий минимальный коэффициентшума каскада при приемлемом усилении.
Рассмотрим сигнальное согласование.Сопротивление источника сигнала при этом должно быть комплексно согласовано с входным сопротивлением траизистора, а сопротивление нагрузкис его входным сопротивлением.
Входные и выходные сопротивлениятранзистора легко вычисляются по S-параметрампо известным формулам. В упрощенном виде входное сопротивление полевого транзистораможно представить последовательно соединенными сопротивлением и емкостью, а выходное— параллельным.
В МШУ сантиметрового диапазонаобычно используют нерезонансные входные СЦ, причем,учитывая то, что рабочие полосы этих усилителей невелики, вполне достаточно согласующих цепей второгопорядка. Для МШУ конверторов предпочитают, чтобы схема обладала максимально плоской характеристикой.Ее расчет сводится к определению параметров фильтра —прототипа gi для расчета которого необходим вспомогательный параметр х.
Кроме того при расчетах используютсяобратная величина относительной полосы пропускания d = F0 / (Fверх Н- Fниж Н) и коэффициент трансформации
kтр = Z0 / Rвх, гдеZo—волновое сопротивление СВЧ-тракта; Rвх — активная составляющая входного сопротивления транзистора.Имея d и a1 = aс вх, можно определить g1 = l / a1d
Описанная СЦ отлично зарекомендоваласебя в МШУ конверторов. Она трансформирует действительную часть входного сопротивлениятранзистора или эквивалентное шумовое сопротивление вверх, как правило, к 50 0м.Входную индуктивность реализуют или в виде высокоомной МПЛ, или путем специфическогомонтажа транзистора.
Рассмотрим теперь вопрос проектированиявыходных согласующих цепей. Она содержит отрезок регулярной МПЛ, компенсирующийвыходную емкостную проводимость и четвертьволновый трансформатор, согласующий активноевыходное сопротивление с волновым сопротивлением выходной полосковой линии (обычно50 0м). Здесь вначале стоит четвертьволновой МПЛ трансформатор, преобразующий активноевыходное сопротивление транзистора в 50 0м. После этого трансформатора (т. е. вточке А) выходная реактивность транзистора трансформировалась из емкостной в индуктивную,поэтому к точке подключается компенсирующий разомкнутый МПЛ шлейф. Согласующие цепи(рис. 7.8 и 7.9) обеспечивают широкополосность 15… 20%, чего вполне достаточнодаже для двухдиапазонных конверторов.
Обычно разработчики СВЧ-усилителейпредпочитают входное и выходное сопротивления любого транзисторного каскада согласовыватьсо стандартным СВЧ-трактом, равным 50 0м. Это облегчает отработку как отдельныхкаскадов, так и многокаскадных усилителей и вполне приемлемо для МШУ конверторов.В случае широкополосных (полоса более 50%) многокаскадных СВЧ-усилителей задачипостроения межкаскадных СЦ осложняются, но это не мешает созданию СВЧ-усилителейсантиметрового диапазона с широкополосностью октава и более.
Итак, качество МШУ, а следовательно,и конвертора в целом определяется СВЧ-транзисторами. Пока разработчики транзисторовзанимались их совершенствованием, наметился прогресс и в области ИМС СВЧ.
Практика изготовления МШУконверторов по технологии ГИС показала, что достаточно критичным элементом являютсяпроходные конденсаторы, включаемые в микрополосковый тракт. При использовании навесныхчип-конденсаторов, во-первых, требуются тонкие монтажные работы, во-вторых, потерив этих конденсаторах и КСВ тракта меняются от образца к образцу и даже от количестваприпоя. Поэтому довольно распространенным для конверторов является использованиевстречно-штыревых конденсаторов (ВШК). Конструкция ВШК требует очень малого зазорамежду полосковыми проводниками, что чревато замыканиями в процессе эксплуатациииз-за миграции атомов металла проводников и технологически сложно. Полоса рабочихчастот такого конденсатора шире, чем у других типов ВШК. Существует ВШК, выполненныйиз 4 штырей. В нем зазор шире, чем у двухштыревого ВШК, однако буквально на центральнойрасчетной частоте возникают резонансные потери, так как два соседних нечетных (иличетных) штыря образуют полуволновый резонатор камертонного типа. Поэтому длину четырехштыревогоВШК надо делать немного короче или немного длиннее четверти длины волны.
Необходимо отметить, что СВЧполевые транзисторы весьма чувствительны к воздействию света, даже через керамическийкорпус свет может изменить режим работы транзисторов усилителя, что следует учитыватьпри настройке.
Второй момент, о котором необходимоупомянуть,— чувствительность полевых транзисторов к статическому электричеству.Руки оператора, паяльник, монтажный инструмент, измерительные приборы должны бытьочень хороню заземлены. Нежелательны пластмассовые сиденья стульев, линолиумныеполы, синтетическая одежда на монтажнике и настройщике. Воздух в помещении, гдеработают с СВЧ-транзисторы, не должен быть очень сухим. Оптимальная относительнаявлажность 70%.
Литература
1. Бушминский И. П., Тюхтин М. Ф. «Приёмныесистемы спутникового телевидения», М. «Р и С», 1993 г.
2. Шелухин О. И. «Индивидуальный и коллективныйприём спутникового телевидения», М., 1995 г.