ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ

June 16, 2012 by admin Комментировать »

Балыко А. К., Васильев В. И., Климова А. В., Кузнецова И. В., Юсупова Н. И.

ФГУП «НПП Исток» ул. Вокзальная 2а, г. Фрязино 141190, Россия e-mail: istkor@elnet.msk.ru тел. (095) 465-8620


Аннотация Приведены рассчитанные параметры нелинейной модели конкретных ПТШ и результаты схемотехнического и топологического проектирования трехкаскадного монолитного усилителя мощности.

I.  Введение

В последние годы в технике СВЧ широкое применение находят усилители мощности на полевых транзисторах с барьером Шоттки (ПТШ) [1-3]. Проектирование усилителей на ПТШ связано с рядом проблем, касающихся, прежде всего построения нелинейных моделей ПТШ и различными подходами к расчету энергетических характеристик усилителя мощности КПД.

В работе излагается методика расчета усилителей мощности на ПТШ, и результаты схемотехнического и топологического проектирования трехкаскадного монолитного усилителя.

II.  Основная часть

Методика проектирования усилителя мощности на ПТШ включает в себя следующие расчетноэкспериментальные этапы:

0.    Исходя из требований технического задания на выходную мощность Рвых, коэффициент усиления Кр, КПД и рабочего интервала частот выбирается функциональная схема усилителя определяется число каскадов типы ПТШ.

1.    Для каждого типа ПТШ выбирается несколько (N) режимов питания и для этих режимов в рабочем интервале частот измеряются малосигнальные S

–    параметры транзистора.

2.    Для каждого режима питания рассчитываются элементы малосигнальной эквивалентной схемы ПТШ, при которых сумма квадратов модулей разностей измеренных и рассчитанных S параметров достигает минимальной величины.

3.    По рассчитанным элементам малосигнальной схемы для выбранных режимов питания ПТШ определяются параметры нелинейной модели ПТШ, например модели Materka [4, 5], включенной в программу SERENADE.

4.    С помощью программы SERENADE проводятся схемотехническое и топологическое проектирование усилителя мощности и расчет его частотных и энергетических характеристик.

Полевой транзистор с барьером Шоттки описывается эквивалентной схемой, в которой определяющую роль при расчете усилителя мощности играют входная емкость Cgs, проходная емкость Cgd, сопротивление Ri и источник тока Ids-

При напряжениях питания транзистора Ugs=Ugsk, Uds=Udsk и токи lds=ldsk (k=1,2…N) интервале частот

7,5..              .10,5 ГГц с помощью анализатора цепей HP 851 ОС измерялись S параметры ПТШ и определялись малосигнальные параметры ПТШ: входная емкость Cgs, проходная емкость Cgd, сопротивление R,, выходная проводимость gdSn емкость CdS, крутизна д, время задержки Т, сопротивления электродов Rd, Rg, Rs и индуктивности Ld, Lg, Ls.

Используя зависимости ldSk от UgSk и UdSk определяем ток насыщения Idss, напряжение отсечки Vp0, показатель нелинейности е, крутизну Sl и Ss.

Подставляя значения емкостей из малосигнальной модели, определенные для напряжений UgSk, Udsk, и сами напряжения в выражения для нелинейных зависимостей емкостей от напряжений, получаем величины параметров модели Materka Сю, Cfo, rrigd, mgs, Ki, kf. Рассчитанные таким образом параметры нелинейной модели ПТШ типа «Полет» (ширина затвора W=300mkm) и «Пират-40» (W=4000mkm), выпускаемых на «Истоке» приведены в таблице. Анализ технического задания (Рвых=1Вт, Кр=25дБ, КПД=25%) позволил определить структуру усилителя, состоящего из трех каскадов на ПТШ. Параметры ПТШ с W=1200mkm были получены путем масштабирования.

Парам”""-^

ЗООмкм

1200мкм

4000мкм

Сю.пФ

0,86

0,87

0,88

Cis.nO

0

0,39

1,62

mgs

2,0

1,64

0,5

К1, 1/В

0,35

0,51

1,0

Cfo, пФ

0,03

0,2

0,6

mgd

1,3

1,0

0,18

KF, 1/В

0,29

0,46

1,0

Cds.nO

0,08

0,18

0,5

R10, Ом

4,7

3,8

1,0

KR, 1/В

0

0,12

0,5

Idss, А

0,10

0,42

1,38

СО

о

Q.

-1,5

-1,74

-2,5

е

1,5

1,48

1,4

Sl, См

1,0

0,9

0,7

Ss, См

0,005

0,01

0,03

Т, пс

3,0

5,2

12,0

Rd, Ом

2,8

2,36

0,55

Ra, Ом

1,7

1,42

0,8

Rs, Ом

1,8

1,56

0,7

Cde, пФ

0,018

0,018

0,018

Cdde, ПФ

0,02

0,02

0,02

Vbc, в

12,0

12,0

12,0

Контурная система каждого каскада усилителя в рабочей полосе частот в общем случае описывается реактивными согласующими элементами во входной (C-i, L-i) и выходной (Сг, L2) цепях. Питание транзистора осуществляется от двух источников Ед и Ed

В работе выполнено схемотехническое проектирование трехкаскадного усилителя мощности в диапазоне частот 7,5… 10,5 ГГц. Первый каскад выполняется на ПТШ с шириной затвора W=300mkm («Полет»), второй с W=1200 мкм, третий с W=4000 мкм («Пират-40»), Первые два каскада позволяют получить суммарный Кр > 20 дБ, третий Кр=5 дБ и Рвых=1 Вт. Коэффициент полезного действия усилителя равен 0,265.

С помощью программы SERENADE была проведена оптимизация согласующих цепей каждого каскада. Оптимальные параметры согласующих цепей составили.

Ci,n

Ц,н

С2,п

I—2,

Eg,

Ed,

каскада

Ф

Г

Ф

нГ

В

В

1

0,6

0,6

0,8

1,8

-0,8

7

2

0

0,6

0

0

-0,8

7,5

3

1,3

0,3

0,9

0,3

-2,1

7,5

В качестве разделительных емкостей использовались конденсаторы с номиналом в 50 пФ, а индуктивности микрополосковых элементов в цепях питания составляли 1,0…2 нГн.

С помощью программы SERENADE выполнено топологическое проектирование трехкаскадного монолитного усилителя мощности на подложке из GaAs толщиной 100 мкм. Топология усилителя приведена на рисунке 1.

III.  Заключение

Показана возможность создания монолитного усилителя мощности с параметрами:

–    выходная мощность по уровню 1 дБ не менее 1 Вт;

–    коэффициент усиления не менее 25 дБ;

–    рабочая частота в диапазоне 7,5… 10,5 ГГц;

–    ширина полосы не менее 10 %;

–    неравномерность коэффициента усиления в линейном режиме не более 0,5 дБ;

–    размеры 6 мм X 2,5 мм.

IV. Литература

[1]    Tajima У., Miller Р. О. Design of broad-band power GaAs FET amplifiers//IEEE Trans, 1986, V. MTT-32, N.3, p. 261.

[2]   Пчелин В. А. Разработка усилителей мощности. Электронная техника. Сер.1. СВЧ-техника,1999, Вып. 1, с. 8-14.

[3]    Materka A., Kacpazak Т. Computer calculation of largesignal GaAs FET amplifier characteristics. IEEE Trans,

1985, Vol. MTT-33, № 2, p. 129.

Puc. 1. Топология монолитного усилителя Fig. 1. Monolithic amplifier layout

[4]   Балыко А. К., Юсупова H. И. Математическое обеспечение для проектирования СВЧ транзисторных усилителей мощности. Обзоры по электронной технике. Сер. 1. СВЧ-техника, 1994, Вып. 6., 53 с.

MONOLITHIC POWER AMPLIFIER DESIGN

Balyko A. K., Vasilyev V. I., Klimova A. V., Kuznetsova I. V., Yusupova N. I.

‘Istok’ Federal State-Owned Unitary Research & Production Enterprise 2A Vokzalnaya St., Fryazino, Moscow Region, Russia, 141190 phone +7 (95) 4658620 e-mail: istkor@elnet.msk.ru

Abstract Computed parameters of nonlinear model for several specific FETs, circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic power amplifier are presented.

I.  Introduction

Schottky gated FET-based power amplifiers have found wide applications in microwave technology in recent years. The design of FET amplifiers encounters a number of problems related to nonlinear modeling of transistor and to different approaches that exist in computing the power performance.

The computational procedure for FET-based power amplifiers is described and the results of circuit engineering and layout design of a three-stage monolithic amplifier are presented in this report.

II.  Main part

The design procedure includes the following stages:

A functional circuit of the amplifier is developed; the number of stages is determined; the type of transistor is selected according to the parameters listed in the requirements specification: output power, gain, efficiency and frequency range.

Supply voltage modes are chosen for each type of FET. Small-signal S-parameters of transistors for these modes are measured over the operating frequency range.

The maximal proximity between the computed and measured S-parameters is achieved by varying the elements of the small signal equivalent circuit of FET (inductances of leads, capacitances and resistances).

Parameters of a nonlinear model of FET, e.g. the Materka model [4, 5] (included into the Serenade software) are determined from the elements computed for the given supply modes.

Circuit engineering and layout design of a hybrid integrated and monolithic amplifier, the computation of its frequency and power performance are conducted.

III.  Conclusion

The possibility is shown of manufacturing a monolithic power amplifier with the following properties: output power above 1W at ~1 dB, gain above 25dB, frequency range between 7.5 and 10.5GHz, bandwidth not less than 10%, gain ripple in the linear mode below 0.5 dB, dimensions 6mm x 2.5mm.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты