Влияние емкости и индуктивности устройства на частотный отклик усилителя Rf

Влияние емкости и индуктивности устройства на частотный отклик усилителя RF

Частотная реакция усилителя РЧ определяет его полезную полосу пропускания, плоскость усиления и линейность фазы. В то время как дизайнеры тщательно выбирают активные устройства и соответствующие сети, неизбежная паразитная емкость и индуктивность внутри устройства и его упаковки значительно формируют высокочастотное поведение усилителя & #8217. Понимание того, как эти реактивные элементы взаимодействуют с топологией схемы, имеет важное значение для прогнозирования и оптимизации производительности в системах связи, радара и приборов.

В этой статье рассматриваются физические истоки емкости и индуктивности устройства, их влияние на коэффициент усиления, пропускную способность и стабильность, а также методы проектирования, используемые для минимизации их негативного воздействия.К концу читатель должен быть в состоянии идентифицировать источники паразитного сопротивления и применять проверенные контрмеры для достижения более плоской, более широкой частотной реакции.

Основы устройства паразитарной реакции

Каждое активное полупроводниковое устройство— будь то биполярный транзистор перехода (BJT), полевой транзистор (FET) или монолитная микроволновая интегральная схема (MMIC)— содержит внутренние емкости и индуктивности, которые не являются частью предполагаемой схемы конструкции.Эти паразиты возникают из физической геометрии кристалла, проводов связи, свинцовых рам и пакетных соединений.

Мощность устройства

Емкость в РЧ-устройстве существует в основном между электродами (например, шлюз-источник, шлюз-слив или базовый коллектор) и между штампом и упаковочной подложкой. Наиболее значительными паразитными ёмкостью являются:

Эти емкости не являются постоянными; они изменяются с перекосом напряжения и качанием сигнала. Например, емкость стека MOSFET значительно падает по мере увеличения напряжения дренажа, эффекта, используемого при настройке варактора, но проблематичного для широкополосных усилителей.

Устройство индуктивности

Индуктивность происходит от физической длины соединений: провода связи от кристалла к упаковочным выводам, сами провода и внутренняя маршрутизация ячеек транзисторов с несколькими пальцами. Ключевые термины индуктивности включают:

Индуктивность провода связи обычно составляет порядка 0,5–2 нН на связь, а лиды пакета добавляют еще 1–10 нН в зависимости от стиля пакета.На частотах выше 1 ГГц даже несколько нН индуктивности могут вызвать значительное преобразование импеданса и фазовый сдвиг.

Влияние на частотный отклик

Комбинированное действие емкости и индуктивности устройства образует сложную сеть полюсов и нулей, которые определяют поведение частотной области усилителя & #8217.

Скачать игру Roll-Off and Bandwidth Limitation

Наиболее фундаментальным эффектом является характеристика низкого прохода, вызванная входной и выходной ёмкостью.Для усилителя FET общего источника частота входных полюсов приблизительно равна:

fp(in) = 1/ (2π RS (Cgs + Cgd[1+Av))

где RS является импедансом источника, а Av — усилением напряжения. Обычно доминирует умноженная на Миллера емкость обратной связи, устанавливающая полосу пропускания −3 дБ. По мере увеличения коэффициента усиления пропускная способность уменьшается пропорционально— компромисс, известный как продукт усиления–ширина полосы пропускания.

Индуктивность вводит дополнительные полюса. Индуктивность источника, например, создает ноль на низких частотах и полюс на более высоких частотах, которые могут расширить полосу пропускания, если ноль правильно расположен. Однако неконтролируемая индуктивность часто ухудшает скорость скатывания, делая его более круче, чем идеальные 20 дБ/десятилетие.

Резонанс и пик прибыли

Когда индуктивные и емкостные реактивные сопротивления отменяются на определенной частоте, возникает ряд или параллельный резонанс. Например, комбинация последовательностей индуктивности провода связи (L) и выходной емкости устройства (C) может резонировать, производя пик в частотной реакции. Если Q-фактор высок, этот пик может обеспечить полезный прирост на резонансной частоте, но он также сужает полосу пропускания и рискует колебаться, если пик совпадает с траекторией обратной связи. Дизайнеры иногда намеренно добавляют небольшой индуктивный элемент в канализацию или коллектор, что приводит к созданию сети “пиков ” сеть, которая компенсирует падение усиления на краю полосы.

Сдвиг фазы и групповое задерживание искажений

Каждый полюс и ноль вносят вклад в фазовый сдвиг. В широкополосных усилителях (например, для импульсной или цифровой модуляции) фазовая нелинейность приводит к изменению групповой задержки, искажая форму сигнала. Полюсы с доминированием пропускной способности вызывают отставание фазы; нули с доминированием индуктивности вызывают ведущую фазу. Балансирование этих эффектов имеет решающее значение для поддержания линейной фазы через полосу пропускания.

Проблемы стабильности

Паразитарное реактивное сопротивление может превратить усилитель в осциллятор. Наиболее распространенный механизм включает в себя емкость Миллера и импеданс резонансной нагрузки: если фазовый сдвиг вокруг петли обратной связи достигает 180° на частоте, где усиление петли превышает единицу, вероятно колебание. Индуктивность источника также может создать путь положительной обратной связи через общий свинец. Анализ устойчивости с использованием S-параметров или графика Nyquist должен учитывать все паразиты устройства, особенно выше транзистора’s fT.

Моделирование устройств Parasitics

Точное моделирование имеет важное значение для прогнозирования частотной реакции перед изготовлением.Симуляторы, такие как Keysight ADS, Cadence AWR или Qucs с открытым исходным кодом, позволяют инженерам включать паразитные элементы в модели транзисторов.

Малосигнальные эквивалентные схемы

Модели радиочастотных устройств расширяют простую гибридную модель или модель с комковатыми элементами с явными паразитическими индукторами и конденсаторами. Типичная модель для GaAs pHEMT может включать:

Параметры модели извлекаются из измерений S-параметров и методов деэмблированности.Для широкополосных конструкций распределенные эффекты могут также требовать сегментов линий передачи.

S-параметрический анализ

Параметры рассеяния непосредственно захватывают поведение усилителя & #8217 на нескольких частотах. Потеря возврата ввода (S]11), усиление (S]21, изоляция (S]12 и потеря возврата вывода (S22) — все это показывает влияние паразитного реактивного сопротивления. Падение в S21 на определенной частоте указывает на резонанс или откат усиления, вызванный паразитами устройства.

Для более глубокого понимания инженеры часто наносят S-параметры на диаграмму Смита. Индуктивное импеданс появляется как дуга по часовой стрелке; емкостное импеданс как дуга против часовой стрелки. Отслеживание этих дуг с частотой помогает выявить доминирующих паразитов.

Техника проектирования для смягчения паразитарных эффектов

Несколько проверенных стратегий помогают инженерам уменьшить негативное влияние емкости и индуктивности устройства на частотную реакцию.

Оптимизация макета

Физическое расположение компонентов на печатной плате (PCB) или монолитном чипе оказывает наибольшее влияние на индуктивность и емкость паразитов.

нейтрализация

Нейтрализация отменяет эффект обратной связи (Миллера) емкостью путем введения внефазного сигнала равной величины. Это обычно делается в усилителях BJT с помощью небольшого конденсатора, подключенного от основания к перевернутому коллекторному напряжению (перекрестное соединение в дифференциальных парах). В усилителях FET может обеспечить нейтрализующий путь емкостный делитель или трансформатор. Нейтрализация улучшает пропускную способность и стабильность, но требует тщательной настройки, чтобы избежать перекомпенсации.

Источник: Emitter Degeneration

Добавление небольшого индуктора (или резистора) последовательно с источником или излучателем создает отрицательную обратную связь, которая сглаживает коэффициент усиления и расширяет полосу пропускания. Индуктивная дегенерация создает ноль, который может компенсировать входной полюс, если саморезонансная частота индуктора & #8217 значительно превышает рабочую полосу. Этот метод широко используется в широкополосных распределенных усилителях.

Сети импедансного соответствия

Совместные сети преобразуют импедансы источника и нагрузки в значения, которые оптимально взаимодействуют с импедансами ввода и вывода устройства’. Хорошо продуманное соответствие может поглощать паразитные реактивные сопротивления в сетевые элементы. Например, элемент индуктивной серии в соответствующей сети может резонировать с выходной емкостью устройства’, представляя чистое сопротивление на центральной частоте.

Широкополосное сопоставление часто использует многоступенчатые L-C лестницы (например, Чебышев или максимально плоские фильтры), которые отменяют пульсацию для полосы пропускания. Предел Боде-Фано определяет максимальную полосу пропускания, достижимую для данного соответствия и устройства Q.

Common-Gate / Common-Base топологии

В этих конфигурациях затвор или основание заземляется на RF, устраняя эффект Миллера, поскольку ёмкость обратной связи видит один терминал на земле переменного тока. Усилитель с общим затвором имеет высокое входное импедансное сопротивление, в котором доминирует индуктивность, и может достигать широкой полосы пропускания при правильном завершении. Эта топология предпочтительна для усилителей с низким уровнем шума, хотя требуется тщательное разделение смещения.

Частотный отклик на практические этапы усилителя

Чтобы проиллюстрировать эти концепции, рассмотрим две общие стадии РЧ-усилителя и роль паразитического реактивного сопротивления.

Усилитель FET Common-Source

Показатель усиления средней полосы устанавливается транспроводностью (g]m и сопротивлением нагрузки.По мере увеличения частоты входная емкость CgsgdmmLLds образует другой полюс с сопротивлением нагрузки.Если индуктивность провода связи значительна, резонанс серии между Lddsds может добавить пик за пределы точки −3 дБ, потенциально расширяя полезную полосу пропускания, если Q умеренный. Однако входной полюс часто доминирует. Добавление последовательного индуктора в траекторию затвора (Lg[FLT:

Усилитель Cascode

Пара каскодов (общий источник, за которым следуют общие ворота) резко снижает эффект Миллера, потому что стадия общих ворот представляет собой низкое сопротивление для отвода входного FET, сводя к минимуму перепад напряжения через Cgd. Это подталкивает полюс входа к гораздо более высокой частоте. Штраф — это повышенная индуктивность вывода от дополнительного устройства и межступенчатой проводки. Каскод широко используется в высоколинейных широкополосных приложениях, таких как усилители базовой станции 5G.

Измерение и моделирование паразитарного влияния

Характеристика устройства-паразитиков требует тщательного измерения и деэмблированности. Векторные сетевые анализаторы (ВНС) со стандартами калибровки (SOLT или TRL) используются для измерения S-параметров голого устройства в испытательном приспособлении. Собственные паразиты крепления’s (открытые, короткие, сквозные) должны быть вычтены с использованием выделенных калибровочных подложек.

Рефлектория временной области (TDR) может идентифицировать местоположение и величину индуктивных разрывов вдоль путей сигнала. Для монолитных конструкций электромагнитное моделирование (например, с HFSS или Momentum) обеспечивает точное прогнозирование межсоединений и подложки перед изготовлением.

Инженеры должны всегда проверять смоделированную частотную реакцию на измерение, поскольку паразиты сильно зависят от допусков сборки, формы проволоки связи и свойств материала ПХД. Для дальнейшего чтения анализ микроволн 101 паразитной емкости обеспечивает практический обзор, а Аналоговые устройства & #8217; Руководство по проектированию усилителя RF предлагает комплексные методы сопоставления.

Заключение

Емкость и индуктивность устройства присущи каждому РЧ усилителю и оказывают глубокое влияние на частотную реакцию. Емкость ограничивает полосу пропускания через формирование полюсов, в то время как индуктивность может создавать резонансные, фазовые сдвиги и риски стабильности. Успешная РЧ-конструкция требует системного подхода: модель паразитов точно с малыми сигнальными эквивалентами и S-параметрами, применять правила компоновки для минимизации реактивности и использовать нейтрализацию, дегенерацию или согласование сетей для формирования ответа. Овладев взаимодействием между паразитами устройства и топологией схемы, инженеры могут создавать усилители, которые обеспечивают плоский прирост, широкую полосу пропускания и стабильную работу от десятков мегагерц до десятков гигагерц. По мере того, как полупроводниковые технологии продвигаются к более высоким частотам, тщательное управление емкостью и индуктивностью останется краеугольным камнем РЧ-инженерии.