Leka_engineer 30 авг 2021 в 06:06

Схемы питания (фильтрации) СВЧ усилителей

4 мин

12K

Разработка систем связи*Схемотехника*Производство и разработка электроники*Сотовая связьЭлектроника для начинающих

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.

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:

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.

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.