Проектування монолітних ПІДСИЛЮВАЧА ПОТУЖНОСТІ
Балико А. К., Васильєв В. І., Климова А. В., Кузнецова І. В., Юсупова Н. І.
ФГУП «НПП Исток» вул. Вокзальна 2а, м. Фрязіно 141190, Росія e-mail: istkor@elnet.msk.ru тел. (095) 465-8620
Анотація Наведено розраховані параметри нелінійної моделі конкретних ПТШ і результати схемотехнічного і топологічного проектування трехкаскадного монолітного підсилювача потужності.
I. Вступ
В останні роки в техніці НВЧ широке застосування знаходять підсилювачі потужності на польових транзисторах з бар’єром Шоттки (ПТШ) [1-3]. Проектування підсилювачів на ПТШ пов’язано з низкою проблем, що стосуються, насамперед побудови нелінійних моделей ПТШ і різними підходами до розрахунку енергетичних характеристик підсилювача потужності ККД.
У роботі викладається методика розрахунку підсилювачів потужності на ПТШ, і результати схемотехнічного і топологічного проектування трехкаскадного монолітного підсилювача.
II. Основна частина
Методика проектування підсилювача потужності на ПТШ включає в себе наступні расчетноексперіментальние етапи:
0. Виходячи з вимог технічного завдання на вихідну потужність Рвих, коефіцієнт посилення Дор, ККД і робочого інтервалу частот вибирається функціональна схема підсилювача визначається число каскадів типи ПТШ.
1. Для кожного типу ПТШ вибирається кілька (N) режимів харчування і для цих режимів у робочому інтервалі частот вимірюються малосигнальні S
– Параметри транзистора.
2. Для кожного режиму харчування розраховуються елементи малосигнальної еквівалентної схеми ПТШ, при яких сума квадратів модулів різниць виміряних і розрахованих S параметрів досягає мінімальної величини.
3. За розрахованим елементам малосигнальної схеми для обраних режимів харчування ПТШ визначаються параметри нелінійної моделі ПТШ, наприклад моделі Materka [4, 5], включеної до програми SERENADE.
4. За допомогою програми SERENADE проводяться схемотехнічне і топологічний проектування підсилювача потужності і розрахунок його частотних і енергетичних характеристик.
Польовий транзистор з бар’єром Шоттки описується еквівалентною схемою, в якій визначальну роль при розрахунку підсилювача потужності грають вхідна ємність Cgs, Прохідна ємність Cgd, опір Ri і джерело струму Ids-
При напругах живлення транзистора Ugs = Ugsk, Uds = Udsk і струми lds = ldsk (k = 1,2 … N) інтервалі частот
7,5 … 10,5 ГГц за допомогою аналізатора ланцюгів HP 851 ОС вимірювалися S параметри ПТШ і визначалися малосигнальні параметри ПТШ: вхідні ємність Cgs, Прохідна ємність Cgd, Опір R,, вихідна провідність gdSn ємність CdS, Крутизна д, час затримки Т, опору електродів Rd, Rg, Rs й індуктивності Ld, Lg, Ls.
Використовуючи залежності ldSk від UgSk і UdSk визначаємо струм насичення Idss, напруга відсічення Vp0, Показник нелінійності е, крутизну Sl і Ss.
Підставляючи значення ємностей з малосигнальної моделі, визначені для напруг UgSk, Udsk, і самі напруги в вирази для нелінійних залежностей ємностей від напружень, одержуємо величини параметрів моделі Materka Сю, Cfo, rrigd, mgs, Ki, kf. Розраховані таким чином параметри нелінійної моделі ПТШ типу «Політ» (ширина затвора W = 300mkm) і «Пірат-40» (W = 4000mkm), що випускаються на «Витоки» наведені в таблиці. Аналіз технічного завдання (Рвих = 1Вт, Дор= 25дБ, ККД = 25%) дозволив визначити структуру підсилювача, що складається з трьох каскадів на ПТШ. Параметри ПТШ з W = 1200mkm були отримані шляхом масштабування.
Парам” “” – ^ |
ЗООмкм |
1200мкм |
4000мкм |
Сю.пФ |
0,86 |
0,87 |
0,88 |
Cis.nO |
0 |
0,39 |
1,62 |
mgs |
2,0 |
1,64 |
0,5 |
К1, 1 / В |
0,35 |
0,51 |
1,0 |
Cfo, пФ |
0,03 |
0,2 |
0,6 |
mgd |
1,3 |
1,0 |
0,18 |
KF, 1 / В |
0,29 |
0,46 |
1,0 |
Cds.nO |
0,08 |
0,18 |
0,5 |
R10, Ом |
4,7 |
3,8 |
1,0 |
KR, 1 / В |
0 |
0,12 |
0,5 |
Idss, А |
0,10 |
0,42 |
1,38 |
СО про Q. > |
-1,5 |
-1,74 |
-2,5 |
е |
1,5 |
1,48 |
1,4 |
Sl, См |
1,0 |
0,9 |
0,7 |
Ss, См |
0,005 |
0,01 |
0,03 |
Т, пс |
3,0 |
5,2 |
12,0 |
Rd, Ом |
2,8 |
2,36 |
0,55 |
Ra, Ом |
1,7 |
1,42 |
0,8 |
Rs, Ом |
1,8 |
1,56 |
0,7 |
Cde, ПФ |
0,018 |
0,018 |
0,018 |
Cdde, ПФ |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
Vbc, в |
12,0 |
12,0 |
12,0 |
Контурна система кожного каскаду підсилювача в робочій смузі частот в загальному випадку описується реактивними погоджують елементами у вхідний (Ci, Li) і вихідний (Сг, L2) ланцюгах. Харчування транзистора здійснюється від двох джерел Ед і Ed
В роботі виконано схемотехнічне проектування трехкаскадного підсилювача потужності в діапазоні частот 7,5 … 10,5 ГГц. Перший каскад виконується на ПТШ з шириною затвора W = 300mkm («Політ»), другий з W = 1200 мкм, третій з W = 4000 мкм («Пірат-40»), Перші два каскади дозволяють отримати сумарний Дор > 20 дБ, третій Дор= 5 дБ і Рвих = 1 Вт Коефіцієнт корисної дії підсилювача дорівнює 0,265.
За допомогою програми SERENADE була проведена оптимізація узгоджуючих ланцюгів кожного каскаду. Оптимальні параметри узгоджуючих ланцюгів склали.
№ |
Ci,n |
Ц, н |
З2, П |
I—2, |
Eg, |
Ed, |
каскаду |
Ф |
Г |
Ф |
нГн |
В |
В |
1 |
0,6 |
0,6 |
0,8 |
1,8 |
-0,8 |
7 |
2 |
0 |
0,6 |
0 |
0 |
-0,8 |
7,5 |
3 |
1,3 |
0,3 |
0,9 |
0,3 |
-2,1 |
7,5 |
Як розділових ємностей використовувалися конденсатори з номіналом в 50 пФ, а індуктивності мікрополоскових елементів в ланцюгах харчування складали 1,0 … 2 нГн.
За допомогою програми SERENADE виконано топологічний проектування трехкаскадного монолітного підсилювача потужності на підкладці з GaAs товщиною 100 мкм. Топологія підсилювача приведена на малюнку 1.
III. Висновок
Показана можливість створення монолітного підсилювача потужності з параметрами:
– Вихідна потужність по рівню 1 дБ не менше 1 Вт;
– Коефіцієнт підсилення не менше 25 дБ;
– Робоча частота в діапазоні 7,5 … 10,5 ГГц;
– Ширина смуги не менше 10%;
– Нерівномірність коефіцієнта посилення в лінійному режимі не більше 0,5 дБ;
– Розміри 6 мм X 2,5 мм.
IV. Література
[1] Tajima У., Miller Р. О. Design of broad-band power GaAs FET amplifiers / / IEEE Trans, 1986, V. MTT-32, N.3, p. 261.
[2] Пчелін В. А. Розробка підсилювачів потужності. Електронна техніка. Сер.1. СВЧ-техніка, 1999, Вип. 1, с. 8-14.
[3] Materka A., Kacpazak Т. Computer calculation of largesignal GaAs FET amplifier characteristics. IEEE Trans,
1985, Vol. MTT-33, № 2, p. 129.
Puc. 1. Топологія монолітного підсилювача Fig. 1. Monolithic amplifier layout
[4] Балико А. К., Юсупова H. І. Математичне забезпечення для проектування НВЧ транзисторних підсилювачів потужності. Огляди з електронної техніки. Сер. 1. СВЧ-техніка, 1994, Вип. 6., 53 с.
MONOLITHIC POWER AMPLIFIER DESIGN
Balyko A. K., Vasilyev V. I., Klimova A. V., Kuznetsova I. V., Yusupova N. I.
‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise 2A Vokzalnaya St., Fryazino, Moscow Region, Russia, 141190 phone +7 (95) 4658620 e-mail: istkor@elnet.msk.ru
Abstract Computed parameters of nonlinear model for several specific FETs, circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic power amplifier are presented.
I. Introduction
Schottky gated FET-based power amplifiers have found wide applications in microwave technology in recent years. The design of FET amplifiers encounters a number of problems related to nonlinear modeling of transistor and to different approaches that exist in computing the power performance.
The computational procedure for FET-based power amplifiers is described and the results of circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic amplifier are presented in this report.
II. Main part
The design procedure includes the following stages:
A functional circuit of the amplifier is developed; the number of stages is determined; the type of transistor is selected according to the parameters listed in the requirements specification: output power, gain, efficiency and frequency range.
Supply voltage modes are chosen for each type of FET. Small-signal S-parameters of transistors for these modes are measured over the operating frequency range.
The maximal proximity between the computed and measured S-parameters is achieved by varying the elements of the small signal equivalent circuit of FET (inductances of leads, capacitances and resistances).
Parameters of a nonlinear model of FET, e.g. the Materka model [4, 5] (included into the Serenade software) are determined from the elements computed for the given supply modes.
Circuit engineering and layout design of a hybrid integrated and monolithic amplifier, the computation of its frequency and power performance are conducted.
III. Conclusion
The possibility is shown of manufacturing a monolithic power amplifier with the following properties: output power above 1W at ~1 dB, gain above 25dB, frequency range between 7.5 and 10.5GHz, bandwidth not less than 10%, gain ripple in the linear mode below 0.5 dB, dimensions 6mm x 2.5mm.
Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.
Сподобалася стаття? Натисни "+1"! :
Ще статті:
- УМЗЧ на мікросхемі РАхх (0)
- Широкосмуговий малогучний підсилювач діапазону 20 ... 600 МГц (0)
- УМЗЧ на базі операційного підсилювача КР544УД2 (0)
- Сімісторний регулятор потужності (0)
- Високоякісний попередній підсилювач (0)
- Підсилювач потужності з польовим транзистором як джерело струму для вхідного каскаду і елементами симетрування вихідного каскаду (0)
- Підсилювач потужності, виконаний по мостовій схемі (0)
Ваш відгук