Файл: 2. расчетно теоретическая часть 1 Проектирование усилительного модуля.rtf

2. РАСЧЕТНО – ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 Проектирование усилительного модуля
2.1.1 Введение
В начале 80-х годов был разработан усилительный модуль типа «Одиссея» - первый в стране усилитель на полевых транзисторах с барьером Шотки (ПТШ) в трёхсантиметровом диапазоне длин волн, выпускаемый серийно на заводе «Рений». Модуль имел следующие характеристики:

• 
  коэффициент усиления по мощности (К_р) - 20 дБ;
  
• 
  неравномерность К_р в диапазоне частот - 7 …10,5 дБ составлял 4 дБ;
  
• 
  максимальная выходная мощность - 10 мВт;
  
• 
  коэффициент шума (F) - менее 10 дБ;
  
• 
  допустимая входная мощность:
  

а) в непрерывном режиме - 1,7 Вт;

б) в импульсном режиме - 15 Вт.

Усилительный модуль содержал 8-каскадный усилитель на отечественных ПТШ типа 3П-321-А-2 (входные каскады) и 3П602 (выходные каскады), и защитное устройство на диодах типа 2А522.

За последние годы выпуск указанных транзисторов на заводе г. Новгород Великий прекратился.

Между тем, потребность в подобном усилительном модуле, применяемом в бортовой аппаратуре, не только не снизилась, но и продолжает увеличиваться. Всё это заставило искать возможности замены «новгородских» транзисторов. Зарубежные ПТШ, хотя и имеют малую стоимость, не рекомендуется использовать в аппаратуре военного назначения.
В этой связи на «Истоке» (в НПК-4) были разработаны аналоги транзисторов 3П321 и 3П602 с более высокими, характеристиками. В частности, коэффициент шума транзистора «Созвездие» на частоте 10 ГГц составляет 1,5 дБ, а выходная мощность транзистора «Полёт» - более 30 мВт. Прямое включение этих транзисторов в схему усилителя, вместо ранее применявшихся «новгородских», неприемлемо, поскольку характеристики их различны. Необходимо было заново провести проектирование усилительных каскадов и разработать их топологии.

2.1.2 Расчет параметров узлов модуля
При разработке модуля было принято во внимание, что за прошедшие годы изменились подходы к конструированию корпусов модулей и технологии их изготовления.

На основании вышеуказанного была поставлена задача: разработать усилительный модуль на «истоковских» ПТШ с применением новых конструкторских и технологических решений. Модуль должен был иметь следующие параметры:

• 
  коэффициент шума - F < 3 дБ;
  
• 
  коэффициент усиления - более 30 дБ;
  
• 
  максимальная выходная мощность - 30 мВт;
  
• 
  неравномерность К_р в полосе ± 0,5 дБ.
  

---

При решении поставленной задачи в настоящей работе выполнены

следующие исследования:

- разработана принципиальная схема модуля;

- проведено проектирование одного каскада усилителя;

- выполнен тепловой расчет конструкции усилителя с кристаллом, углубленным в подложку;

- проведен выбор конструкции корпуса модуля;

- выбран перспективный метод пайки платы к корпусу;

- рассмотрены вопросы герметизации модуля.

Принципиальная схема модуля, изображенная на рис. 1, содержит защитное устройство и пятикаскадный усилитель.

Защитное устройство выполнено на основе двух ограничительных диодов (ОД) типа «параграф», выпускаемые в цехе 33 «Истока». Первый диод подвергается наибольшему воздействию проникающей СВЧ - мощности и поэтому он выбран с толщиной базы W=1,7 мкм.

Ёмкость диода С=0,15 пФ и сопротивление потерь Rп=2 Ом. Второй диод - маломощный - имеет толщину базы W= 1 мкм, ёмкость С=0,2 пФ, сопротивление 1 Ом. В режиме слабого сигнала L=1дБ, а в режиме высокой входной мощности защитное устройство дает ослабление мощности более 30 дБ. Защитное устройство разработано в НПК-8 «Истока».

Согласно заданию, общий коэффициент усиления модуля составляет 30 дБ. Такое усиление может быть достигнуто в 5 - каскадном усилителе. Поскольку ПТШ «Созвездие» на частоте 10 ГГц в линейном режиме имеет К_р=10 дБ и F=1,5 дБ, то два первых каскада выполняются на этих транзисторах. По мере увеличения мощности от каскада к каскаду режим работы ПТШ становится более нелинейным, коэффициент усиления снижается. Поэтому проектируемые значения К_р первых трех каскадов: К_р1=10 дБ, К_р2= 6 дБ, К_р3=6 дБ.

Коэффициент шума (F) многокаскадного усилителя определяется выражением:

,

где F_i и К_рi вычисляется в разах (i=1,2,3…)

F₁ =1,5 дБ соответствует F₁= =1,41;

F₂ =2 дБ соответствует F₂=1,7;

К_р1=10 дБ соответствует К_р1=10;

К_р2=6 дБ соответствует К_р2=4;

К_р3=6 дБ соответствует К_р3=4.

Если предположить, что первый каскад имеет величину F₁=1,5 дБ (1,41)

(i=1,2,3…), а второй F₂=2 дБ (1,7) и третий F₃=3 дБ (2), то из приведенной выше формулы получаем:

---

F=1,41 + (1,7-1) / 10 + (2-1) / 4= 1,41 + 0,07 + 0,25 = 1,73 дБ

Значение F=1,73 дБ соответствует F»1,8 дБ. Прибавив к этому значению потери в защитном устройстве в 1 дБ, которые характеризуют шумы защитного пассивного устройства, получим суммарный коэффициент шума модуля

F=2,8 дБ.

Два выходных каскада усилительного модуля выполнены на ПТШ типа «Полёт». Эти каскады работают при мощности (её увеличенных значениях), и поэтому их коэффициенты усиления составляют К_р4=6дБ и К_р5=3 дБ соответственно. Таким образом суммарный коэффициент усиления модуля:

К_р=10 + 6 + 6 + 6 + 3 = 31 дБ

Проведенные оценочные расчеты показывают, что при использовании ОД «Параграф» и ПТШ «Созвездие» и «Полёт» можно получить требуемые характеристики модуля.

Отметим, что если транзисторы 3П321 и 3П602 выпускались в корпусах, то транзисторы «Созвездие» и «Полёт» изготавливаются в бескорпусных вариантах, что позволяет их включать в ГИС усилителей как в традиционном варианте, так и в углубление в диэлектрической подложке.

Проектирование отдельных каскадов усилителя рассмотрим на примере малошумящего усилителя на ПТШ типа «Созвездие» (1 каскад).

ПТШ «Созвездие» имеет длину затвора l_з=0,3 мкм, толщину активной области а=0,2 мкм, ширину затвора W_з=150 мкм. Параметры ПТШ «Полёт»: l_з=0,25, W_з=300 мкм, а=0,17 мкм.

Важной задачей СВЧ техники является создание усилителей с широкой рабочей полосой частот. Среди широкополосных усилителей особое место занимают малошумящие усилители (МШУ). При создании таких усилителей приходится решать по крайней мере, две задачи: добиться в полосе частот Df малого коэффициента шума F_ш и одновременного высокого коэффициента усиления К_р. Причем, увеличение полосы частот приводит к увеличению коэффициента шума и снижению коэффициента усиления. Для того, чтобы совместить эти два условия усилитель обычно выполняется в виде двух или более каскадов. При этом роль первого каскада состоит в максимальном снижении величины F_ш. А задача второго и последующих каскадов - получить требуемое значение К_р. Для достижения большей полосы в схемах усилителей широко используются цепи обратных связей.

Проектирование входных усилителей обычно основано на использовании измеренных S-параметров полевого транзистора. Проектирование МШУ связано с решением ряда дополнительных задач. В частности, для расчета шумовых характеристик усилителей необходимо знать шумовые параметры транзистора.

---

2.1.3 Методика проектирования МШУ
Сформулируем особенности проектирования МШУ. Как уже отмечалось, к основным характеристикам усилителей относятся зависимости от частоты коэффициента усиления К_р(f) и коэффициента шума F(f). Для расчета К_р(f) достаточно знать частотные зависимости S - параметров ПТШ и значения параметров (согласующих цепей) схемы усилителя. Для расчета F(f) этого недостаточно. Необходимо еще иметь шумовую модель ПТШ (рис.2б), которая основана на знании зависимостей от частоты четырех шумовых параметров ПТШ. В необходимости параллельно с электрическими характеристиками рассчитывать и шумовые состоит основная особенность проектирования малошумящих усилителей на ПТШ. На основании изложенного предлагается следующая методика проектирования МШУ:

1. Создание физической и математической модели ПТШ и расчет их параметров;

1. 
   Для выбранного типа транзистора, включенного по схеме с общим истоком, и заданного режима его работы (напряжений на стоке и затворе) измеряются компоненты S - матрицы в диапазоне частот (f_н, f_к)
   

1.2. На основании типовой малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ по измеренным S - параметрам восстанавливаются значения параметров эквивалентной схемы: ёмкости, индуктивности, сопротивления (рис.2а);

3. 
   Измеряется ВАХ (выходная) - зависимость тока I от напряжений между стоком и истоком U_си при различных напряжениях на затворе U_зи и переходная ВАХ - I_с (U_зи). (рис.3);
   

1.4. С использованием измеренных ВАХ определяют параметры модели транзистора:

• 
  полное сопротивление транзистора R_п - по омическому участку в выходной ВАХ (R_п=U_си/I_с);
  
• 
  напряжение отсечки U_от - напряжения U_зи, при котором I_с=0;
  
• 
  ток насыщения I_со - по ассимптотическому поведению ВАХ при больших значениях U_си и U_зи=0;
  

1.5. Создаются математические модели других элементов эквивалентной схемы транзистора, зависящие от напряжений, в частности емкостей С_зи и С_зс;

1.6. В рабочем диапазоне частот для выбранного режима работы ПТШ определяются шумовые параметры ПТШ: F_min, R_п, G_so, B_so;

2. Выбор структурной схемы усилителя;

3. Проведение схемотехнического проектирования усилителя на основании разработанной модели ПТШ и выбранной структурной схемы усилителя;

---

4. Осуществление топологического проектирования по результатам схемотехнического проектирования;

5. Изготовление усилителя, экспериментальное исследование его характеристик К_р(f), F(f) и других;

6. Коррекция физической и математической модели ПТШ структурной схемы или топологии усилителя, в случае, если расчетные и измеренные характеристики существенно различаются.
2.1.4 Разработка шумовой модели ПТШ
Рассмотрим отдельные этапы методики проектирования усилителей.

Для описания шумовых свойств СВЧ транзисторов широко используется система шумовых параметров, включающая минимальное значение коэффициента шума F_min, величину оптимальной комплексной проводимости на входе транзистора Y_so=G_so+jB_so, при которой F=F_min, и значение сопротивления R_п.

Существует несколько методов определения шумовых параметров транзисторов на СВЧ. Наибольшее распространение получил метод, основанный на использовании перестраиваемого трансформатора, включенного между входом измеряемого транзистора и шумовым генератором. Варьируя параметрами трансформатора, находят минимальную величину коэффициента шума F_min на частоте анализа f, а затем с помощью измерителя полных проводимостей определяют величину оптимальной проводимости Y_so=G_so+jB_so на этой частоте. Описанная процедура повторяется для других частот требуемого рабочего диапазона. К недостаткам можно отнести необходимость непосредственного измерения минимального значения коэффициента шума, что не всегда возможно достичь с помощью трансформаторов.

Ниже приведено описание метода определения шумовых параметров транзисторов, не требующего непосредственного измерения F_min.

Теоретическое обоснование метода основано на следующих представлениях.

Рассмотрим функциональную схему для измерений шумовых параметров, представленную на рис.4(а). Коэффициент шума транзистора на частоте f при произвольной нагрузке на входе транзистора Y_S = G_S + j B_S определяется из выражения:

---