Реферат: Принципы работы малошумящего усилителя

Введение

малошумящий усилитель конвертор транзистор

Малошумящий усилитель. Применяется для уменьшения шума и повышения чувствительности конвертора. Выбор необходимого типа МШУ (наряду с шумовыми характеристиками) определяется следующими параметрами: полосой пропускания, стабильностью в работе уровнем насыщения, потреблением энергии, а также стоимостью, габаритными размерами, массой. Основные требования к МШУ следующие:

1) ширина полосы пропускания должна быть не менее заданной (800 МГц);

2) коэффициент усиления должен быть достаточным для эффективного уменьшения влияния шумов усилительно-преобразовательных устройств, следующих за ним (обычно составляет 25...35 дБ);

3) коэффициент шума (шумовая температура) должен быть к можно меньше (0,7-1,0 дБ);

4) уровень насыщения должен быть достаточно высоким, в противном случае могут возникнуть нелинейные искажения;

5) амплитудно-частотная характеристика должна обладать зад;

ной неравномерностью (обычно ±2 дБ), а фазочастотная - линейной

Шумовые характеристики СВЧ-устройств описываются в терминах либо шумовой температуры, либо коэффициентом шума

Наиболее широкое применение в конверторах систем НТВ получили МШУ, собранные на арсенид-галиевых полевых транзисторах. Такие усилители, выполненные на базе ГИС-технологии, можно представить в виде диэлектрической платы, на которой нанесён рисунок пассивной схемы и припаяны или приварены навесные элементы.

Входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, а второй и последующие каскады - на максимальный коэффициент усиления.

Все каскады МШУ строятся как правило на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую плату (подложку).

В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристику МШУ. Чтобы исключить этот эффект, транзисторы используют в виде отдельных кристаллов (чипов), которые привариваются к нужным точкам схемы с помощью тонкой золотой проволоки диаметром 15...20 мкм.

Применение активных элементов в корпусном исполнении, хотя и несколько ухудшает параметры МШУ, существенно упрощает процесс сборки, позволяет отказаться от жёсткой герметизации блока, исключить технологически сложные и дорогостоящие процессы золочения, а также заменить подложки из твёрдых диэлектриков типа поликора или кварца на мягкие фольгированные материалы типа тефлона или дюроида.

В СВЧ-диапазоне чаще всего в конверторе применяют схему включения на арсенод-галиевых малошумящих полевых транзисторах с общим истоком, обеспечивающую значительные коэффициенты усиления по напряжению и току при сохранении хороших вентильных свойств. В схемах МШУ не применяют цепей автосмещения, так как это позволяет на 0,2...0,3 дБ снизить коэффициент шума МШУ.

Входной МШУ обычн о состои т из трех каскадом , собранных на пол евых СВЧ-транзисторах. При реали зации МШУ н адо удовлетворить ряду противоречивых требований: обеспечить мин имум коэффициента шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усилен ия. Для трехкаскадного МШУ коэффициент шума определяется следующим соотношением: F = F1 + (F2 - 1) / k + (F3 - 1) / k1k2, где F, F 1, F 2,F3 —коэффициенты шума (в относительных единицах) всего усилителя, первого, второго и третьего каскадов соответствен но; k1, k2— коэ ффиц иенты усилен ия (и относите льн ых е диницах) пе рвого и в торого каскадов.

В соответствии с приведенным соотн ошение м можно заключи ть, что п ервый каскад МШУ надо настраи вать по крите рию п олучен ия минимального коэффицие нта шума. Второй каскад настраивается из компромиссных соображений с точки зрен ия обесп ечения максимума усиления и ми нимума коэффицие нта шума. Влияние коэффициента шума тре тьего каскада практически неощу тимо. Можн о заключить, что первые два транзистора МШУ должны обладать особо малым шумом. Такими свойствами обладают полевые СВЧ-траизисторы, выполненные на гетероэпитаксиальных слоях сложных полупроводниковых соедин ений. В них подвижность электронов н амного выше, чем в обычных тран зисторах. Соответственно их н азывают т ранзисторы с высокой подвижностью эле ктронов (ВПЭ). В английской терминологи и их называют НЕМТ (High electonic mob ility transistor). Например, американская фирма «Дженерал Электрик» создала НЕМТ на трехслойными структуре п+ AIGaAs /n-GalnAs/GaAs, полученной молекулярно-лучевой эпитаксией , Транзистор имеет коэффициент шума 3 дБ, коэффициент усиления 5 дБ на частоте 94 ГГц. На частоте 18 ГГц такой транзистор имеет коэффициен т шума 0,6 дБ и коэффи циент усиления 18 дБ. Это, конечно, рекордный результат, но мн огие фирмы США, Японии, ФРГ, КНР (по японской ли цензии) крупными партиями выпускают НЕМТ с коэффициентами шума 0,8... 1,2 дБ на частотах 12... 18 ГГц. Эти транзисторы с прессовываются пластмассой либо помещаются в герметичные керамиче ские корпуса, поэтому их можно использовать даже в негерметичной аппаратуре. Итак. классический МШУ, который выпускает любая зарубежная фирма, состоит из двух НЕМТ и одного обычного полевого СВЧ-т ран зистора. Коэффициент шума такого МШУ совершенно однозначно определяется шумовыми свойства ми НЕМТ. Например, транзи стор типа 8900 фирмы «Хитачи» и ме ет: коэффициент шума 0.8 дБ; коэффициен т уси ления 11 дБ; при н апряжении исток—сток 5 и смещении на затворе 3,5 В.

Как известн о, в коэффициент ш ума МШУ аддитивно добавляются потери во входной согласующей цепи, волиоводно-полосковом переходе и потери в цепях автосмещения, если оно используется. Раздельн ое питание на сток и затвор позволяет выиграть 0,15.. .0,3 дБ в коэффициенте шума кон вертора, поэтому в редки х случаях в МШУ применяют автосмещение. В МШУ с полосой рабочих частот ме нее 15% (а в конверторах она не превышает 10%) при двухполярном питании практически всегда удается получи ть коэффициент шума усилителя на волноводном флан це лишь на 0,15... 0,25 дБ больше, чем коэффициент шума входного транзистора. В редких случаях в кон верторах примен яют охлаждение входного транзистора с помощью миниатюрного термоэлектрического элемента, при этом охлаждение на 50° С снижает коэффициент ш ума примерно на 20%.

Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает лучшей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов. Успех реализации усилительного каскада МШУ зависит от качества проектирования согласующих цепей (СЦ). В сантиметровом диапазоне СП выполняются обычно из отрезков микрополосковых линий и печатных катушек индуктивности. Для обеспечения безусловной устойчивости выходные СЦ обычно выполняют в индс ФНЧ, включающих диссипативные элементы (тонкопленочные резисторы). Разработаны эффективные методы синтеза оптимальных СЦ одно- и многокаскадных МШУ на полевых транзисторах.

Анализ устойчивости МШУ производится по тем же методикам, что и для УВЧ-тюнеров, и поэтому не рассматривается.

Опыт разработки авторами МШУ на полевых транзисторах показал, что чисто аналитическими средствами трудно спроектировать усилитель, который будет воспроизводим в серийном производстве, а его параметры будут близки к теорети чески оп тимальным. К МШУ наи более п одходит популярная у разработчиков, СВЧ-узлов поговорка: «Устройство должно работать н е в принципе, а в корпусе ». Поэтому и начнем с корпуса. МШУ должен размещаться в отдельном отсеке конве ртора ли бо лучше в автономном миниатюрном корпусе, в котором он заранее монтируется и настраи вается, а уж затем устанавливается в конвертор. Отсек для МШУ ли бо внутрен ни й объем автон омного корпуса должны представлять собой запредельный волновод. Надо учитывать, что часть этого в олновода заполнена поликором и ным диэлектри ком, поэтому его сечени е будет меньше, чем у полого запред ельного волновода. По опыту авторов можно рекомендовать ши ри ну отсека де лать менее 10 мм, а его высоту — менее 8 мм. Известны конструкции зарубежных конверторов, где МШУ экранируется П- и ли С- образным экраном из фольги. Поскольку истоки полевых транзи сторов должны иметь эффекти вное заземление , то для этого либо сверлят диэлектрические подложки , либо размещают транзисторы между двух диэлектрических подложек.

После того как разработчик выбрал тип диэлектрической подложки, способ установки н режи м работы тран зисторов (они различны для обеспечени я минимума коэффициента шума и максимума коэффици ента усиления), он должен провести измерени я п араметров и ш умовых пара метров для партии транзисторов, смонтированных н а те стовых платах избранным способом при нужных электри ческих режимах. Эти параметры обычно существенно отличаются от сообщаемых и зготовителем транзисторов ввиду того, что учитывают с пецифику монтажа.

После того как определены S -параметры или в крайнем случае входные и выходные сопротивления н модули коэффициентов передачи транзистора, можно перейти к проектированию СЦ. Лучш е всего это делать на ЭВМ, использовать специальн ые программы. Мы же рассмотрим упрощенную методику.

Согласовани е, обе спечивающее максимум коэффициента усилен ия, называется сигнальным согласованием. В этом случае с. помощью реактивных СЦ обеспечивается минимум КСВ на входе и выходе ус илительн ого каскада в рабочей полосе частот. Второй вариант согласования называется шумовым согласованием, когда при достаточно высоком входном КСВ находится импедапс генератора, обеспечивающий минимальный коэффициент ш ума каскада при приемлемом усилении.

Рассмотрим сигнальное согласование. Сопротивление источника сигнала при этом должно быть комплексно согласовано с вход ным сопротивлением траизистора, а сопротивление нагрузки с его входным сопротивлением.

Входные и выходные сопротивления транзистора легко вычисляются по S-параметрам по известным формулам. В упрощенном виде входное сопротивление полевого транзистора можно представить последовательно соединенными сопротивлением и емкостью, а выходное — параллельным.

В МШУ сантиметрового диапазона обычно используют нерезонансные входные СЦ, причем, учитывая то, что рабочие полосы этих усилителей невелики, вполне достаточн о согласующих цепе й второго порядка. Для МШУ конверторов предпочитают, чтобы схема обладала макси мально плоской характери стикой. Ее расчет св оди тся к опреде лению параметров фильтра —прототипа gi для расчета которого необходим вспомогательный параметр х.

Кроме того при расчетах используются обратная величина относительной полосы пропускания d = F0 / (Fверх Н - Fниж Н) и коэффициент трансформации

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--