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

2. РАСЧЕТНО – ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ2.1 Проектирование усилительного модуля2.1.1 ВведениеВ 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 модуляПри 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 выполненыследующие 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_iи 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 дБЗначение 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 дБПроведенные 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 ПТШРассмотрим 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:

---