Принципи роботи малошумящего підсилювача

малошумний підсилювач конвертор транзистор

Малошумящий підсилювач. Застосовується для зменшення шуму і підвищення чутливості конвертора. Вибір необхідного типу МШУ (поряд з шумовими характеристиками) визначається наступними параметрами: пропускною здатністю, стабільністю в роботі рівнем насичення, споживанням енергії, а також вартістю, габаритними розмірами, масою. Основні вимоги до МШУ наступні:

1) ширина смуги пропускання повинна бути не менше заданої (800 МГц);

2) коефіцієнт посилення повинен бути достатнім для ефективного зменшення впливу шумів підсилювально-перетворювальних пристроїв, що настають за ним (зазвичай становить 25. 35 дБ);

3) коефіцієнт шуму (шумова температура) повинен бути до якнайменше (0,7-1,0 дБ);

4) рівень насичення повинен бути досить високим, в іншому випадку можуть виникнути нелінійні спотворення;

5) амплітудно-частотна характеристика повинна володіти зад;

ної нерівномірністю (зазвичай ± 2 дБ), а фазочастотная - лінійної

Шумові характеристики НВЧ-пристроїв описуються в термінах або шумовий температури, або коефіцієнтом шуму

Найбільш широке застосування в конверторах систем НТВ отримали МШУ, зібрані на арсенід-галієвих польових транзисторах. Такі підсилювачі, виконані на базі ГІС-технології, можна представити у вигляді діелектричної плати, на якій нанесений малюнок пасивної схеми і припаяні або приварені навісні елементи.

Вхідні і вихідні погоджують ланцюга першого транзистора розраховуються на мінімальний коефіцієнт шуму, а другий і наступні каскади - на максимальний коефіцієнт посилення.

Всі каскади МШУ будуються як правило на несиметричних Полоскова лініях передачі, які виконуються методом напилення провідних матеріалів на керамічну плату (підкладку).

У СВЧ-діапазоні паразитні реактивні елементи корпусу транзистора роблять помітний вплив на характеристику МШУ. Щоб виключити цей ефект, транзистори використовують у вигляді окремих кристалів (чіпів), які приварюються до потрібних крапок схеми за допомогою тонкої золотої дроту діаметром 15. 20 мкм.

Застосування активних елементів в корпусному виконанні, хоча і дещо погіршує параметри МШУ, істотно спрощує процес складання, дозволяє відмовитися від жорсткої герметизації блоку, виключити технологічно складні і дорогі процеси золочення, а також замінити підкладки з твердих діелектриків типу поликор або кварцу на м'які фольговані матеріали типу тефлону або дюроіда.

У СВЧ-діапазоні найчастіше в конверторі застосовують схему включення на арсенод-галієвих малошумливих польових транзисторах із загальним витоком, що забезпечує значні коефіцієнти підсилення по напрузі і току при збереженні хороших вентильних властивостей. У схемах МШУ не застосовуються ланцюгів автосмещенія, так як це дозволяє на 0,2. 0,3 дБ знизити коефіцієнт шуму МШУ.

Вхідний МШУ звич про відбудеться т з трьох каскадом. зібраних на підлогу евих СВЧ-транзисторах. При реалі зації МШУ н адо задовольнити ряду суперечливих вимог: забезпечити хв імум коефіцієнта шуму, узгодження підсилювача по входу, максимальний коефіцієнт посилений ия. Для трехкаскадного МШУ коефіцієнт шуму визначається наступним співвідношенням: F = F1 + (F2 - 1) / k + (F3 - 1) / k1k2, де F, F 1, F 2, F3-коефіцієнти шуму (в відносних одиницях) всього підсилювача, першого, другого і третього каскадів соответствен але; k1, k2- кое ффіц іенти посилений ія (і відносите льн их е дініцах) пе рвого і в торого каскадів.

Відповідно до наведеного соотн ошень м можна уклади ть, що п ервий каскад МШУ треба настрающего вать по критеріях рію п олучая ія мінімального коефіцієнтом нта шуму. Другий каскад налаштовується з компромісних міркувань з точки зрен ія забезпеч ечень максимуму посилення і ми нимума коефіцієнтом нта шуму. Вплив коефіцієнта шуму тре тьего каскаду практично неощу Тімо. Можн про укласти, що перші два транзистора МШУ повинні володіти особливо малим шумом. Такими властивостями володіють польові СВЧ-траізістори, виконані на гетероепітаксійних шарах складних напівпровідникових з'єдн еній. У них рухливість електронів н амного вище, ніж в звичайних тран зісторах. Відповідно їх н азивают т ранзістори з високою рухливістю еле ктронов (ВПЕ). В англійській термінологи і їх називають НЕМТ (High electonic mob ility transistor). Наприклад, американська фірма «Дженерал Електрик» створила НЕМТ на тришаровими структурі п + AIGaAs / n-GalnAs / GaAs, отриманої молекулярно-променевої епітаксії, Транзистор має коефіцієнт шуму 3 дБ, коефіцієнт посилення 5 дБ на частоті 94 ГГц. На частоті 18 ГГц такий транзистор має коефіцієнтом т шуму 0,6 дБ і коефі цієнт посилення 18 дБ. Це, звичайно, рекордний результат, але мн огіе фірми США, Японії, ФРН, КНР (за японською чи цензии) великими партіями випускають НЕМТ з коефіцієнтами шуму 0,8. 1,2 дБ на частотах 12. 18 ГГц. Ці транзистори з прессовиваются пластмасою або поміщаються в герметичні керамічні ські корпусу, тому їх можна використовувати навіть в негерметичной апаратурі. Отже. класичний МШУ, який випускає будь-яка зарубіжна фірма, складається з двох НЕМТ і одного звичайного польового СВЧ-т ран зістора. Коефіцієнт шуму такого МШУ абсолютно однозначно визначається шумовими властивості ми НЕМТ. Наприклад, транзи стор типу 8900 фірми «Хітачі» і ме ет: коефіцієнт шуму 0.8 дБ; коефіцієнтом т уси ления 11 дБ; при н апряженіі витік-стік 5 і зміщення на затворі 3,5 В.

Як відома, про, в коефіцієнт ш розуму МШУ адитивно додаються втрати у вхідній узгоджувальний ланцюга, воліоводно-Полоскова переході і втрати в ланцюгах автосмещенія, якщо воно використовується. Раздельн е харчування на стік і затвор дозволяє виграти 0,15 .. .0,3 дБ в коефіцієнті шуму кін вертора, тому в рідкісні х випадках в МШУ застосовують автосмещенія. У МШУ з смугою робочих частот ме неї 15% (а в конверторах вона не перевищує 10%) при двополярного харчуванні практично завжди вдається отримай ть коефіцієнт шуму підсилювача на волноводном флан це лише на 0,15 ... 0,25 дБ більше, ніж коефіцієнт шуму вхідного транзистора. У рідкісних випадках в кін верторах застосува яют охолодження вхідного транзистора за допомогою мініатюрного термоелектричного елемента, при цьому охолодження на 50 ° С знижує коефіцієнт ш розуму приблизно на 20%.

Найбільшого поширення в МШУ отримала схема із загальним витоком, так як вона має кращу стійкість в порівнянні з іншими способами включення польових транзисторів. Успіх реалізації підсилювального каскаду МШУ залежить від якості проектування узгоджувальних ланцюгів (СЦ). У сантиметровому діапазоні СП виконуються зазвичай з відрізків мікросмужкових ліній і друкованих котушок індуктивності. Для забезпечення безумовної стійкості вихідні СЦ зазвичай виконують в індс ФНЧ, що включають дисипативні елементи (тонкоплівкові резистори). Розроблено ефективні методи синтезу оптимальних СЦ одно- і багатокаскадних МШУ на польових транзисторах.

Аналіз стійкості МШУ проводиться за тими ж методиками, що і для УВЧ-тюнерів, і тому не розглядається.

Після того як розробник вибрав тип діелектричної підкладки, спосіб установки н режі м роботи тран зісторов (вони різні для обеспечени я мінімуму коефіцієнта шуму і максимуму коеффіці ента посилення), він повинен провести виміру я п араметров і ш умів пара метрів для партії транзисторів, змонтованих н а ті СТОВ платах обраним способом при потрібних електрич чеських режимах. Ці параметри зазвичай істотно відрізняються від повідомляються і зготовітелем транзисторів з огляду на те, що враховують з пеціфіку монтажу.

Після того як визначені S -параметри або в крайньому випадку вхідні і вихідні опору н модулі коефіцієнтів передачі транзистора, можна перейти до проектування СЦ. Лучш е за все це робити на ЕОМ, використовувати специальн ті програми. Ми ж розглянемо спрощену методику.

Узгодження е, обидві спечівающее максимум коефіцієнта посилений ія, називається сигнальним узгодженням. В цьому випадку с. допомогою реактивних СЦ забезпечується мінімум КСВ на вході і виході вус ілітельн ого каскаду в робочій смузі частот. Другий варіант узгодження називається шумовим узгодженням, коли при досить високому вхідному КСВ знаходиться імпедапс генератора, що забезпечує мінімальний коефіцієнт ш розуму каскаду при прийнятному посилення.

Розглянемо сигнальне узгодження. Опір джерела сигналу при цьому має бути комплексно погоджено з вхід ним опором траізістора, а опір навантаження з його вхідним опором.

Вхідні і вихідні опору транзистора легко обчислюються по S-параметрами за відомими формулами. У спрощеному вигляді вхідний опір польового транзистора можна уявити послідовно з'єднаними опором і ємністю, а вихідний - паралельним.

У МШУ сантиметрового діапазону зазвичай використовують нерезонансні вхідні СЦ, причому, з огляду на те, що робочі смуги цих підсилювачів невеликі, цілком доволі динамічно про узгоджувальних Ціпі й другого порядку. Для МШУ конверторів воліють, щоб схема мала максі мально плоскою характери стик. Її розрахунок св оди ться до визна лення параметрів фільтра -прототипу gi для розрахунку якого необхідний допоміжний параметр х.

Крім того при розрахунках використовуються зворотна величина відносної смуги пропускання d = F0 / (Fверх Н - Fніж Н) і коефіцієнт трансформації

Kтр = Z0 / Rвх, де Zo-хвильовий опір СВЧ-тракту; Rвх - активна складова вхідного опору транзистора. Маючи d і a1 = AС вх, можна визначити g1 = l / a1d

Описана СЦ відмінно зарекомендувала себе в МШУ конверторів. Вона трансформує дійсну частину вхідного опору транзистора або еквівалентну шумове опір вгору, як правило, до 50 0м. Вхідні індуктивність реалізують або у вигляді високоомній МПЛ, або шляхом специфічного монтажу транзистора.

Розглянемо тепер питання проектування вихідних узгоджувальних ланцюгів. Вона містить відрізок регулярного МПЛ, компенсуючий вихідну емкостную провідність і четвертьволновий трансформатор, що погоджує активну вихідний опір з хвильовим опором вихідний Полоскова лінії (зазвичай 50 0м). Тут спочатку варто четвертьволновой МПЛ трансформатор, що перетворює активну вихідний опір транзистора в 50 0м. Після цього трансформатора (т. Е. В точці А) вихідна реактивність транзистора трансформувалася з ємнісний в індуктивну, тому до точки підключається компенсуючий розімкнений МПЛ шлейф. Погоджують ланцюга (рис. 7.8 і 7.9) забезпечують широкополосность 15. 20%, чого цілком достатньо навіть для дводіапазонних конверторів.

Зазвичай розробники СВЧ-підсилювачів воліють вхідний і вихідний опору будь-якого транзисторного каскаду узгоджувати зі стандартним СВЧ-трактом, рівним 50 0м. Це полегшує відпрацювання як окремих каскадів, так і багатокаскадних підсилювачів і цілком прийнятно для МШУ конверторів. У разі широкосмугових (смуга більш 50%) багатокаскадних СВЧ-підсилювачів завдання побудови межкаскадних СЦ ускладнюються, але це не заважає створенню СВЧ-підсилювачів сантиметрового діапазону з широкополосностью октава і більше.

Отже, якість МШУ, а отже, і конвертора в цілому визначається СВЧ-транзисторами. Поки розробники транзисторів займалися їх вдосконаленням, намітився прогрес і в області ІМС СВЧ.

Практика виготовлення МШУ конверторів за технологією ГІС показала, що досить критичним елементом є прохідні конденсатори, що включаються в мікросмужкових тракт. При використанні навісних чіп-конденсаторів, по-перше, потрібні тонкі монтажні роботи, по-друге, втрати в цих конденсаторах і КСВ тракту змінюються від зразка до зразка і навіть від кількості припою. Тому досить поширеним для конверторів є використання зустрічно-штирьових конденсаторів (ВШК). Конструкція ВШК вимагає дуже малого зазору між Полоскова провідника, що загрожує замиканнями в процесі експлуатації через міграцію атомів металу провідників і технологічно складно. Смуга робочих частот такого конденсатора ширше, ніж у інших типів ВШК. Існує ВШК, виконаний з 4 штирів. У ньому зазор ширше, ніж у двоштиркової ВШК, однак буквально на центральній розрахунковій частоті виникають резонансні втрати, так як два сусідніх непарних (або парних) штиря утворюють полуволновий резонатор камертоном типу. Тому довжину четирехштиревого ВШК треба робити трохи коротше або трохи довше чверті довжини хвилі.

Необхідно відзначити, що СВЧ польові транзистори дуже чутливі до впливу світла, навіть через керамічний корпус світло може змінити режим роботи транзисторів підсилювача, що слід враховувати при налаштуванні.

Другий момент, про який необхідно згадати, - чутливість польових транзисторів до статичної електрики. Руки оператора, паяльник, монтажний інструмент, вимірювальні прилади повинні бути дуже ховаю заземлені. Небажані пластмасові сидіння стільців, ліноліумние підлоги, синтетичний одяг на монтажників і встановлення антен. Повітря в приміщенні, де працюють з СВЧ-транзистори, не повинен бути дуже сухим. Оптимальна відносна вологість 70%.