«ВИЗУАЛЬНОЕ» ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНОГО МАЛОШУМЯЩЕГО УСИЛИТЕЛЯ ДИАПАЗОНА 1,5-2,5 ГГц

January 14, 2013 by admin Комментировать »

Черкашин М. В. , Бабак Л. И. ^Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) ^НПФ «Микран» пр. Ленина, 40, г. Томск, 634050, Россия Тел.: +7(3822) 414-717; e-mail: mik_cher@mail.ru, leonid.babak@rambler.ru

Аннотация – С использованием новой «визуальной» методики выполнено проектирование монолитного малошумящего усилителя диапазона частот 1,5-2,5 ГГц на основе 0,2 мкм GaAs рНЕМТ технологии ED02AH фирмы OMMIC. Усилитель не требует применения внешних согласующих элементов и обеспечивает следующие параметры: коэффициент усиления G = 17,6 ± 0,35 дБ; коэффициент шума F < 1,1 дБ; входной и выходной коэффициенты отражения I Sii I < -10 дБ, I S221 < -11,5 дБ.

I.                                       Введение

Обычно СВЧ усилительные каскады имеют следующую структуру: входная согласующая цепь (СЦ)

–   активный блок – выходная СЦ. Активный блок представляет собой активный элемент (например, транзистор) с подключенными корректирующими цепями (КЦ), к последним отнесем также цепи обратной связи (ОС) и стабилизирующие цепи.

Однако в монолитных МШУ использование входной СЦ приводит к возрастанию коэффициента шума в связи с потерями в пассивных элементах СЦ. Поэтому в усилителях, предлагаемых рядом фирм, для согласования по входу используют внешние (off-chip) высокодобротные согласующие элементы (например, согласующие индуктивности). Однако для применения в устройствах, построенных по принципу SOC (System on а Chip), все цепи усилителя должны быть размещены на одном кристалле.

В докладе рассмотрено проектирование с помощью программ автоматизированного синтеза СВЧ монолитного IVIIliy для применения в системах сотовой и мобильной связи. Усилитель обеспечивает требуемый комплекс характеристик, вкпючая согласование на входе и низкий коэффициент шума, без использования внешних СЦ.

II.                              Основная часть

к усилителю предъявлялись следующие требования: коэффициент усиления 0 = 17дБ+ 0,5 дБ; коэффициент шума F < 1 дБ; модули входного и выходного коэффициентов отражения | Зц |<0,3                (

Рис. 1. Принципиальная схема (а) и топология (Ь) монолитного МШУ. Fig. 1. Configuration (а) and topology of low-noise MMIC amplifier

0,46 дБ), |S221<0,3 (-10,46 дБ); усилитель должен быть безусловно устойчивым во всем диапазоне частот. Усилитель выполняется на основе монолитной 0,2 мкм GaAs pHEIVIT технологии ED02AH фирмы OlVIIVIIC (Франция).

В качестве активного блока выбрана каскодная схема включения транзисторов (рис. 1а) для получения более высокого коэффициента усиления и снижения коэффициента шума. Для выравнивания АЧХ, повышения устойчивости и достижения необходимого согласования по входу и выходу в схеме усилителя используется цепь параллельной ОС (Zp). Помимо этого, в первом транзисторе используется последовательная ОС (индуктивность Ls в цепи истока) для повышения устойчивости и улучшения согласования по входу.

При проектировании IVIIliy использовался новый «визуальный» подход, базирующийся на декомпозиционном методе синтеза активных СВЧ устройств [1]. Подход реализован в программах AIVIP-CF, REGION и LOCUS [2,3], которые вместе образуют эффективный инструмент автоматизированного проектирования СВЧ усилителей. Программы AMP-CF и REGION предназначены для получения на фиксированных частотах ОДЗ иммитанса или коэффициента отражения КЦ и СЦ, входящих в состав СВЧ усилителей, по требованиям к усилителю. Программа LOCUS позволяет осуществить синтез двухполюсных КЦ и реактивных СЦ умеренной сложности (от 2 до 6 элементов) по указанным ОДЗ.

Первый этап проектирования заключается в определении элементов активного блока. С помощью программы AMP-CF на выбранных частотах рабочего диапазона были построены диаграммы, представляющие собой линии равных значений коэффициента усиления G, коэффициента шума F и коэффициента устойчивости к активного блока [3]. С использованием этих диаграмм выбраны ширины затворов транзисторов Τι и Тги значение индуктивности в цепи истока Ls.

Рис. 2. Вид ОДЗ и годографов для цепи параллельной ОС и СЦ: а – ОДЗ и области устойчивости на плоскости Ζρ; Ь – ОДЗ на плоскости коэффициента отражения Гs входной СЦ с – ОДЗ на плоскости коэффициента

отражения Гl выходной СЦ.

Fig. 2. Acceptable regions (ARs) and loci for feedback and matching networks (MNs): a) ARs and locus of feedback network in Zp plane; b) ARs and locus of input MN in Гs plane; c) ARs and locus of output MN in Гl plane

Цепь параллельной ОС была синтезирована на основе ОДЗ на плоскости импеданса Zp, полученных с помощью программы AMP-CF (рис. 2а). Чтобы обеспечить безусловную устойчивость усилителя, на данной плоскости были также построены области устойчивости к > 1 для частотных точек за пределами полосы пропускания (на рис. 2а показаны стрелками). По найденным ОДЗ с помощью программы LOCUS была получена RC-цепь ОС, обеспечивающая предъявляемые к активному блоку требования.

Следующий этап проектирования заключается в синтезе СЦ. ОДЗ на плоскости коэффициента отражения входной (Гз) или выходной (Γι) СЦ, отвечающие заданным ограничениям на характеристики усилителя, можно получить с помощью программы REGION. Изменяя величины элементов последовательной и параллельной ОС (Ls, Ср и Rp) активного блока, можно влиять на размер и расположение этих ОДЗ на плоскостях Гз и Tl, а значит и на структуру самих СЦ. Значения указанных элементов были выбраны таким образом, чтобы ОДЗ на плоскости Гз охватывали точку Гз = О (рис. 2Ь). В этом случае требования, предъявленные к усилителю, могут быть выполнены без использования входной СЦ, тем самым искпючается возрастание коэффициента шума за счет потерь в пассивных элементах цепи.

Выходная СЦ была синтезирована с помощью программы LOCUS по ОДЗ, построенным на плоскости Fl при Гз= О (рис. 2с).

Последний этап проектирования заключался в разработке топологии усилителя и окончательной параметрической оптимизации с помощью системы LIBRA

6.1   при использовании библиотеки моделей монолитных элементов ED02AH. Усилитель размером 1,5×2,0 мм (рис. 1Ь) в соответствии с результатами моделирования имеет в полосе частот 1,5-2,5 ГГц следующие параметры: коэффициент усиления G = 17,6 +

0,      35 дБ; коэффициент шума Р<1,1 дБ; входной и выходной коэффициенты отражения | Sn | <-10,0 дБ,

I  S221^-11,5 дБ. Выходная мощность при снижении коэффициента усиления на 1 дБ не менее 12 дБм.

III.                                  Заключение

Интерактивная «визуальная» методика, реализованная в программах AMP-CF, REGION и LOCUS, позволяет упростить и ускорить процесс проектирования, улучшить характеристики транзисторных СВЧ усилителей. Разработанный с помощью данных программ малошумящий монолитный усилитель может найти применение в системах сотовой и мобильной связи.

Работа выполнена в рамках НИР по госконтракту 02.438.11.7046 Федерального агентства по науке и инновациям РФ.

IV.                            Список литературы

[1]  L. I. ВаЬак Decomposition synthesis approach to design of RF and microwave active circuits, in IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., vol. 2, 2001, pp. 1167-1170.

[2]  Бабак Л. И. Черкашин М. S., Зайцев Д. А. Программа «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей СВЧ устройств // 15-я Межд. Крымская конф. «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2005): материалы конф., 2005, Т. 2, с. 423-424.

[3]  Бабак Л. И., Черкашин М. В., Поляков А. Ю. и др. Программы «визуального» проектирования транзисторных СВЧ усилителей // 15-я Межд. Крымская конф. «СВЧ- техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМи- Ко’2005): материалы конф., 2005, Т. 2, с. 425-426.

«VISUAL» DESIGN OF 1.5-2.5 GHZ MMIC LOW-NOISE AMPLIFIER

Cherkashin M. V.\ Babak L. 1.^

^ Tomsk State University of Control Systems and Radioelectronics (TUSCR)

^Micran Co.

40, Lenin av., Tomsk, 634050, Russia Ph.: +7(3822)414717 e-mail: mik_cher@mail.ru, Jeonid.babak@rambler.Ru

Abstract – The design of 1.5-2.5 GHz MMIC amplifier is presented using a new interactive «visual» technique.

In this paper, we demonstrate the design of MMIC low-noise amplifier (LNA) using a new interactive «visual» technique.

The design technique allows the exact synthesis of compensation/feedback networks directly from simultaneous set of performance specifications, including the gain, gain flatness, noise figure, input/output matching, and stability. The procedure is implemented in our «visual» CAD tools, AMP-CF, REGION [3] and LOCUS [2], providing the fast and convenient amplifier design.

With these tools, we have designed a 1.5-2.5 GHz MMIC LNA for wireless systems based on the 0.2 цт pHEMT GaAs technology (OMMIC, France). LNA application does not need off-chip elements. Simulation shows gain 17.6±0.35dB, noise figure 1.1 dB, and input and output return losses -10.0 dB and -11.5 dB, respectively.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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