השפעת ה-Cacitance והחינוך של RF Amplifier Frequency Response

התגובה התדירות של מגבר RF קובעת את רוחב הפס השימושי שלה, את השטוח ואת לינאריות שלב. בעוד מעצבים בוחרים בקפידה מכשירים פעילים ותואמים רשתות, את הציפוי הפתטי הבלתי נמנע ואת החדירה בתוך המכשיר ואת האריזה שלו מעצב באופן משמעותי את המגבר ו- #8217; התנהגות גבוהה של קידוד.הבנת האופן שבו אלמנטים אלה פועלים אינטראקציה עם מעגלים הוא חיוני לחיזוי וביצועים ותקשורת, מערכות מכ"מ"מ ומכשירים, מכ"ם, מכ"ם.

מאמר זה חוקר את המקורות הפיזיים של ה- capacitance והחינוך, את ההשפעה שלהם על רווח, רוחב פס ויציבות, ואת טכניקות העיצוב המשמש כדי למזער את ההשפעה השלילית שלהם.עד הסוף, הקורא צריך להיות מסוגל לזהות מקורות תגובה parasitic וליישם אמצעי נגד מוכח להשגת תגובה שטוחה יותר תדר רחב.

תוצאות של Hypersitic Reactance

כל מכשיר מוליכים למחצה פעיל & #8212; בין אם צומת דו קוטבי טרנזיטור (BJT), transistor (FET), או מעגלים משולבים מיקרוגל מונוליטי (MMIC) & #8212; מכיל קפיצות אינטרינזיות אינטריאניות ו intrinsic בתוך עיצוב המעגל המיועד.

המונחים Capacitance

Capacitance במכשיר RF קיים בעיקר בין אלקטרודות (למשל, קוד שער, שער-דרן, או קולקטור בסיס) ובין ימות לבין החבילה substrate.

  • (ב) ויקרא י"א): "ה' (ב':2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא י"א): "ה' (ב') ויקרא י':2 ,2 ,ד', ויקרא יט, ויקרא י"ד): "ה'" (בראשית כ"ד)
  • (ב) ,0) , (הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אלה קפיאנטנס אינם קבועים; הם משתנים עם מתח הטיה ותנוחת אות. לדוגמה, את קצב-דרעין של מעבורת MOSFET טיפות באופן משמעותי ככל שמתח הניקוז, אפקט המשמש בכוונון varactor אך בעייתי עבור מגברי פס רחב.

אינדוקציה

אינדוקטיבציה מקורה מהאורך הפיזי של קשרים: חוטי קשר מן המתים אל החבילה מוביל, המוביל את עצמם ואת הניתוק הפנימי של תאים טרנסיסטאורים מרובים אצבעות.

  • מקור/זיכרון (Ligtance:0searFLT) : יוצר משוב שלילי המקטין את הרווחים בתדרים גבוהים ויכול להציג את השינוי בשלב.
  • שער / בסיס אינדוקציה (Ligtance:0GearFLT:1): יוצר מעגל מהדהד עם קפיאנטציה קלט, שעלול לגרום לעלייה או oscillation.
  • ד"רain/collector inductance (LFLT:0igd) 1: אינטראקציה עם קפיאנטציה של פלט כדי ליצור חידוש סדרה שיכול לשפר את רוחב הפס אם הוא מכוון כראוי.

ניכוי חוט בונד הוא בדרך כלל על סדר של 0.5 & #8211;2 nH לכל אג"ח, החבילה מובילה להוסיף עוד 1 & #8211;10 nH בהתאם לסגנון החבילה. בתדרים מעל 1 GHz, אפילו כמה nH של אינדוקציה יכול לגרום שינוי משמעותי ושינויים שלב.

תוצאות על תגובה תדירות

הפעולה המשולבת של ה- capacitance והחינוך של המכשיר יוצרת רשת מורכבת של קטבים ואפסים המגדירים את המגבר ו-#8217; התנהגות תדירות-דומיין.

Get Roll-Off and Bandwidth Limitation[עריכת קוד מקור | עריכה]

ההשפעה הבסיסית ביותר היא מאפיין נמוך-פס הנגרמת על ידי קלט ופלט קיבולים. עבור מגבר קוד משותף FET, תדירות קלט הוא בערך:

(ב) ויקרא י"ד): "בְּבְהִיתִיא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא"בְאֱלֹהִים" (ב"ב"ב"ב"ב)

שם RevolveFLT:0 sigmof 1 (המקור) הוא מקור אימפולסיבית ו- AFreaveLT:2vFLT 3: 3 הוא רווח המתח.The Miller-multiplied משוב בדרך כלל שולט, הגדרת −3 dB. as Profit is מוגברת, רוחב פס נמוך יחסית ו-#82; a trade-off ידוע כמו רווח ו-#82th;

אינדוקקט מציג קוטבים נוספים.מקור אינדוקטריציה, למשל, יוצר אפס בתדרים נמוכים וקוטב בתדרים גבוהים יותר שיכול להאריך רוחב פס אם האפס ממוקם כראוי.עם זאת, אי-החינוך חסר שליטה לעתים קרובות מקטין את קצב רול-off, מה שהופך אותו תלול יותר מ 20DB / decade האידיאלי.

Resonance and Get Peaking

כאשר מגיבים אינדוקטיביים ומציקים מבטלים בתדר מסוים, סדרה או מקבילה מתרחשת.לדוגמה, הסדרה שילוב של אינטגרציית חוט האגרה (L) והמכשיר & #8217; תפוקה capacitance (C) יכול לחדש, לייצר שיא התגובה תדירות; אם ה- Q גורם הוא גבוה, שיא זה עשוי לספק רווח שימושי ב-Restrationerson, אבל לפעמים להוסיף רוחב פס קטן.

שלב שינוי וקבוצת עיכובים

כל קוט ואפס תורמים לשינוי שלב.במגברי פס רחב (למשל, עבור הדופק או המודולציה הדיגיטלית), שלב לא ליניאריות מוביל לעיכוב קבוצתי, לעוות את אות הגלפורציה.פולים הנשלטים על ידי Capacitance גורמים שלב מתפתל; inductance-dominated אפסs גורם שלב מוביל. Balancing אפקטים אלה הוא קריטי לשמירה על שלב ליניארי מעבר לפס.

חששות

תגובה פרדוקסטית יכולה להפוך מגבר לתוך אווסטור.המנגנון הנפוץ ביותר כרוך קפיקט מילר ועומס חוזר: אם השינוי בשלב סביב לולאת משוב מגיע 180 & #176; בתדירות שבה הלולאה מרוויחה יותר מאחדות, oscillation הוא כנראה מקור בחינוך יכול גם ליצור משוב חיובי דרך ניתוח ההסתברותי; במיוחד עבור ספקטרום 117 או phic מעל לכל ספקטרום:

מודל של פרדוקסליות

מודלים מדויקים חיוניים לחיזוי תגובת תדר לפני ייצור. סימולטורים כגון Keysight ADS, Cadence AWR, או קוד פתוח Qucs מאפשרים למהנדסים לכלול אלמנטים parasitic במודלים טרנזיסטור.

מעגל קטן-Signal Equivalents

דגמי מכשיר RF מרחיבים את המודל ההיברידי הפשוט; או מודל של גוש עם אינדוקטיקים parasitic מפורשים ו capacitors. מודל טיפוסי עבור GaAs pHEMT עשוי לכלול:

  • (ב) ויקרא י"ד:2 ויקרא י"ד:2
  • [[1924]]]]]] [[1924]]]]]]]]]] [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]
  • מדרש: ויקרא י"ד:2 ,2 ,2 ,2 ,2 , ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • Capacitance ו- הפיכה בין pins החבילה

הפרמטרים של המודל מופקים ממדדות S-parameter וטכניקות de-embedding.עבור עיצובים פס רחב, אפקטים מבוזרים עשויים גם לדרוש מגזרי קו שידור.

ניתוח S-Parameter

(ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עבור תובנה עמוקה יותר, מהנדסים לעתים קרובות מבססים S-parameter על תרשים סמית '.האימפולסים אינדוקטיביים מופיעים כקשת שעון; אימפולסים קיבוליים כקשת נגד-שעה.עקב אחר קשתות אלה עם תדירות עוזר לזהות פרמצבטיקות דומיננטיות.

טכניקות עיצוב ל- Mitigate Parasitic Effects

כמה אסטרטגיות מוכחות עוזרות למהנדסים להפחית את ההשפעה השלילית של ה- capacitance והחינוך על תגובת תדירות.

אופטימיזציה

הסדר הפיזי של רכיבים על לוח המעגל המודפס (PCB) או שבב מונוליטי יש את ההשפעה הגדולה ביותר על חינוך parasitic ו capacitance.

  • (FLT:0) אזורי לולאה (FLT:1) כל לולאה נוכחית (למשל, מעגל קוד-שער) צריכה להיות קטנה ככל האפשר כדי להפחית את החדירה. השתמש במטוסי קרקע מיד מתחת לשכבת האות כדי להחזיר את פלוקס.
  • (FLT:0) קיצור, עקבות רחבים.FLT:1 טרces למכשיר מוביל צריך להיות קצר ורחב כמו מעשי. a track רוחב של לפחות 0.020 אינץ ' נפוץ עבור 50 & #937; microstrip.
  • (ב) ויקרא י"א: "בְּהָעָשָׂה הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא הוּא
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

ניטראליזציה

Neutralization מבטל את ההשפעה של משוב (מילר) קפיאנט על ידי הצגת אות מחוץ לפזורה של גודל שווה.זה נעשה בדרך כלל במגברי BJT באמצעות קיבול קטן המחובר מהבסיס למתח אספנים מחוספס (קרוס-קרוסלינג בזוגות שונים) ב-FET, מתפצל קפיטלטיבי או מהפך יכול לשפר את רוחב הפס הניטרנטימיטיבי.

מקור: Emitter Degeneration

הוספת אינדוקטור קטן (או התנגדות) בסדרה עם המקור או פולט יוצר משוב שלילי כי החניך את רוחב הפס של רווח ומרחיב. ניוון אינדוקטיבי מייצר אפס שיכול לפוצץ את הקוטב קלט, כל עוד ה- inductor & #8217; תדירות עצמית של עצמו הוא גם מעל הלהקה התפעולית.טכניקה זו משמשת באופן נרחב במפיץ רחב.

עקבו אחרי Networks

רשתות התאמת הופכות את המקור והעומס מונע ערכים אשר באופן מיטבי אינטראקציה עם המכשיר & #8217; קלט ופלט מעכבים. התאמה מעוצב היטב יכול לספוג תגובה קצבית לתוך רכיבי הרשת. לדוגמה, אלמנט סדרה אינדוקטיבי ברשת ההתאמה יכול לחדש עם המכשיר & #8217; פלטים, התנגדות טהורה להציג את התדירות.

התאמה רחבה משתמשת לעתים קרובות בסולםי L-C (למשל, צ'בישבב או מסננים שטוחים מקסימליים) כי סחר בפעום רוחב פס.מגבלת Bode-Fano מגדירה את רוחב הפס המקסימלי שניתן עבור התאמה ומכשיר Q.

Common-Gate / Common-Base topologies

בתצורה זו, השער או הבסיס מוטבע ב- RF, ביטול אפקט מילר כי הקבלנות המשוב רואה מסוף אחד בשטח AC. המגבר המשותף יש תנופה גבוהה נשלטת על ידי אינדוקציה ויכולה להשיג רוחב פס רחב עם סיום תקין.טופולוגיה זו טובה למגברים נמוכים, אם כי זה קפדני שלטי מוטה מוטה הוא הכרחי.

תגובה של Practical Amplifier Stages

כדי להמחיש את המושגים, שקול שני שלבים מגברי RF נפוצים ותפקיד התגובה הפרסית.

מקור משותף FET Amplifier

(ב) , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Cascode Amplifier

זוג ה- cascode (מקור-קוד ואחריו משותף) מקטין באופן דרמטי את אפקט מילר כי שלב משותף-gate מציג תנופה נמוכה לניקוז של ה-FET, מצמצם את התננדה המתח מעבר CFLT:0gduaFLT:1 זה דוחף את הקוטב לתדירות גבוהה בהרבה.

הערכה וסימול של השפעה פשטנית

סיווג מכשירים אופייני דורש מדידה זהירה ו de-embedding. Vector Network מנתחrs (VNAs) עם תקני calibration (SOLT או TRL) משמשים למדידת S-parameters של המכשיר החשופ בתיקון מבחן.התיקון & #8217; פרמצבטיקות משלה (פתוח, קצר, דרך) חייב להיות מאריך באמצעות מצע ייעודי.

זמן-דומיין רפיאומטריה (TDR) יכול לזהות את המיקום ואת גודל של הפסקות אינדוקטיביות לאורך נתיבי אות. עבור עיצובים מונוליטיים, סימולציה אלקטרומגנטית (למשל, עם HFSS או Momentum) מספק תחזית מדויקת של חיבורים והפיכה תת-סטריט לפני ייצור.

מהנדסים צריכים תמיד לאמת תגובה בתדר סימולציה נגד מדידה, שכן parasitics הם מאוד תלויים סובלנות הרכב, טופס חוט האג"ח, ותכונות חומריות PCB. for more Reading, theFLT:0Microwaves101 ניתוח של parasitic capacitanceFLT:1 מספק סקירה מעשית, ו-FLT:2Alog מכשירים ’ amplifier designifier designifiers 3FLT מציעה טכניקות מקיפים.

מסקנה

הכניעה והחינוך של המכשיר הם אינטרינסיביים לכל מגבר RF ומשפיעים עמוקות על תגובת תדר.הגבלת Capacitance רוחב פס באמצעות היווצרות קוטמנט, בעוד אינדוקציה יכולה ליצור התחדשות, שינוי שלב, וסיכון יציבות. - תכנון RF מוצלח דורש גישה שיטתית: מודלים טקטיים במדויק עם מקבילות קטנות ו-S- פרמטרים, ליישם את הכללים לצמצום של פעילות RF, או למזערית של תפקוד אוויריות גבוהה יותר, כדי לספק את התקני לחץ אוויריות יציבה.