Схемы питания (фильтрации) СВЧ усилителей

В прошлом месяце я писала про тестовые платы, потом про проектирование СВЧ модуля и про лейауты EVB от производителей (что особенно актуально для усилителей). Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на habr.com и в Инстаграме

Basics

В этом разделе постараюсь объяснить причину своего особого внимания к схемам питания, а также особенности питания усилителей от питания/ управления других СВЧ микросхем.

Дисклеймер: я пишу про усилители от ~1 ГГц

Итак, обычно усилители на блок-схемах обозначают в виде треугольника, сверху показывают линию и скромно пишут V (U).

Рис.1 схематичное изображение СВЧ усилителя

В реальности всё сложнее. Нельзя просто взять и подать туда вольты.

Лабораторные источники питания имеют наводки 50 Гц + внутренние процессы также сказываются на спектре выходного сигнала + при включении возникает переходный процесс (да-да, даже топовые источники от Роде Шварц и Кесайт имеют немнооого паразитных составляющих). А уж если говорить про бортовую систему питания...

То есть надо защитить усилитель от ВЧ составляющих, которые проникают от источника питания.

С другой стороны (в прямом смысле) необходимо не допустить просачивания гармонического сигнала в источник питания.

Случай 1. Простой

Теперь примеры. Очевидно, что для фильтрации ВЧ составляющих в схеме питания усилителя необходим фильтр. Обычно он реализуется с помощью сосредоточенных индуктивностей и конденсаторов.

Рис.2 пример из интернета

На картинке видно, что справа от микросхемы усилителя (в центре) реализована схема подачи питания, состоящая из индуктивности, двух конденсаторов на землю и танталового конденсатора.

_{В этом примере питание подаётся прямо на микрополосок, в таком случае необходимо поставить разделительные конденсаторы, чтобы постоянный ток не смешался с основным гармоническим сигналом.}

Случай 2. Сложный.

Всё становится сложнее, когда усилитель должен работать в импульсном режиме. Импульсный режим реализуется тремя способами:

• сигнал уже приходит на вход усилителя в виде радиоимпульсов. Напоминаю,что такое радиоимпульс:

  

  Рис.3 гармонический сигнал, последовательность видеоимпульсов, последовательность радиоимпульсов (картинка из интернета)

  

  Рис.4 Усилитель с постоянным питанием и импульсным входом

• на вход усилителя приходит CW сигнал, а питание подаётся импульсно. Иногда такой режим работы усилителя называют ключевым.

  

  Рис.5 усилитель с модулированным питанием

• комбинация

  

  Рис.6 усилитель с синхронизацией питания со входными импульсами

Реализация

Как я писала выше, обычно схемы фильтрации реализуются с помощью сосредоточенных элементов. Но каких?

Еще несколько схем примеров:

Рис.7 скриншот моделирования схемы питания только с индуктивным элементом (картинка из интернета)

Рис.8 пример схемы питания по стоку только с емкостными элементами (картинка из интернета)

Рис.9 пример сложной широкополосной схемы подачи питания на полосок (картинка из интернета)

Итак, при выборе конкретных компонентов стоит учитывать максимальный ток и напряжение, ширину рабочей полосы частот усилителя, а также место подачи питания (на отдельную лапки/площадку или на микрополосок).

Немного про характеристики компонентов в частной области. Казалось бы, АЧХ параллельно включенного конденсатора должно выглядеть как-то так:

Рис.10 АЧХ идеального конденсатора

На самом деле конденсатор 1-не идеальный, 2-стоит на полоске конечной толщины, кроме того, 3-контакт с землёй осуществлён через VIA, которые имеют паразитную индуктивность.

Рис.11 АЧХ реально конденсатора на полоске

Положение минимума на графике 11 определяется ёмкостью конденсатора.

Рис.12 измеренные АЧХ конденсаторов разной ёмкости

_{Кроме того, конденсаторы разных производителей одного номинала будут иметь разные АЧХ , также влияет ширина полоска.}

Например, если разработчик хочет перекрыть полосу до ~2,4 ГГц, ему стоит поставить друг за другом три конденсатора 10 пФ, 200 пФ, 0,1мкФ.

Ниже макет усилителя с платами, где подбор элементов цепи питания осуществлялся "в реальном времени".

Рис. 13 усилитель на полевом транзисторе с подачей питания на микрополосок

Ещё есть такие компоненты, как SMD Bias Tee. Они ставятся на полосок и имеют в себе фильтрующие элементы. Например MiniCircuits их иногда используют для усилителей.

Рис.14 Усилитель ZX60-P105LN+

Тестирование

Как внимательные читатели возможно заметили, я всё тестирую. При разработке тестовых плат (цепи с которых потом будут скопированы в итоговое изделие) я обычно делаю вот такие дополнительные платы с элементами цепей подачи питания.

Рис.15 EVB для кристалла усилителя, платала для проверки АЧХ разделительных конденсаторов, для проверки АЧХ схемы фильтрации по питанию

А вот плата для проверки характеристик Bias Tee от MiniCiruits.

Рис.16 Плата для TCBT-123 (фото из моего инстаграма)

Обычно производители микросхем усилителей дают рекомендации по компонентам в схеме питания.Однако, иногда это стандартный набор, который может быть не очень подходит для конкретного случая. Также стандартные рекомендации не подходят, если необходимо подавать импульсное питание.

Примеры

Рис.17 Ampleon

Рис.18 MiniCircuits

Рис.19 CREE

Рис.20 SkyWorks

Рис.21 Qorvo (кристалл)

По последнему примеру необходимо небольшое пояснение: для кристаллов обычно используют плоскопараллельные конденсаторы. Выглядят они вот так:

Рис.22 Вид конденсатора (Tecdia)

Спасибо за внимание!

Приглашаю в мой Инстаграм и почитать мои прошлые статьи.