ЩЛ и КЛ удобны для подключения активных элементов и образования невзаимных устройств.

В отличие от МПЛ обладают ШЛ большим волновым сопротивлением .

В ЩЛ и КЛ дисперсионные свойства выражены сильнее. ()

Дисперсионные свойства линий выражаются тем сильнее, чем больше диэлектрика.

В МПЛ заземляющая находится на обратной стороне пластины, что затрудняет (технологически) заземление элементов и активных приборов.

В ЩЛ и КЛ заземляющая пластина находится на верхней поверхности пластины и увеличивает занимаюемую ею площадь.

Отсутствие у ЩЛ и КЛ на обратной стороне металлизации ухудшает отвод тепла.

Преимущества полосковых линий передачи заключаются в:

в широкополосности ();

малой массе и габаритах;

возможности применения печатного монтажа (автоматизированный технологический процесс).

Линии передачи на полупроводниковых подложках (большие ) - технологически выгодны.

Однако затухание и дисперсия в таких линиях больше.

Функциональные возможности:

трансформация (для согласования);

используются в качестве аттенюаторов.

Порядок расчета линий передачи:

Расчет и по

Расчет

Расчет - матрицы передачи

МПЛ в приближении нулевой толщины полоски:

для

где

для

где

(погрешность 1%)

Индуктивные элементы ИС СВЧ

Входное сопротивление короткого короткозамкнутого отрезка линии

имеет либо резистивный, либо индуктивный характер, в зависимости от соотношения и .

В отличие от линий передачи роль подложки для сосредоточенных элементов заключается в физической поддержке и изоляции.

Последовательные индуктивные элементы:

а). «Балочная»

б). Кольцевая

в). Меандровая

г). Спиральная круглая:

д).



Все длины должны быть

Схемная модель для индуктивностей а)., б)., в).

Схемная модель для индуктивностей г)., д).

Большие значения позволяют получать спиральные и меандровые индуктивности.

Параллельные индуктивности:

Короткозамкнутый параллельный шлейф:



Емкостные элементы ИС СВЧ

для короткой замкнутой линии

при

разрыв линии

последовательный конденсатор на встречных штырях

параллельный конденсатор на встречных штырях



плоский последовательный конденсатор

Схемная модель 2).

Конденсаторы с "боковой связью" (штыревые, щелевые) имеют и по сравнению с конденсаторами с "лицевой связью", но более технологичны.

Увеличение штыревых конденсаторов достигается увеличением числа секций (широких и коротких для уменьшения ).

Могут быть перестраиваемые конденсаторы на обратно смещенном диоде Шоттки (для перестраиваемых генераторов и контуров) - варикапы.

на анод подключен

Для увеличения применяют встречно-штыревую структуру (анод и катоды).

Резистивные элементы ИС СВЧ

Пленочные резисторы используются в качестве нагрузок, делителей, цепей управления и питания. Основные параметры - - поверхностное сопротивление, температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКС), тепловое сопротивление, максимально допустимая рассеиваемая мощность. В качестве материалов используют металлы, керметы, (смеси Cr и SiO). Для изготовления полупроводниковых резисторов используется тот же слой, что и для каналов ПТШ, но имеют два недостатка: а). нелинейные ВАХ (насыщение скорость); б). положительный ТКС.

Пленочные

- коэффициент формы, указывающий на то, что значение резистора зависит не от площади.

резонаторы с четвертьволговыми разомкнутыми шлейфами.

Схемная модель:



при - - параллельный резонанс ().

При больших уровнях мощности используют распределенные резисторы.

Неоднородности в ИС СВЧ

1. изгибы 2. Скачки 3. разомкнутые линии 4. замкнутые линии

5. Е-образные соединения 6. пересечение линий 7. зазор в линии

прямоугольный изгиб

Здесь параллельная емкость обусловлена накоплением заряда, а последовательная индуктивность - искажением магнитного поля в изгибе.

Скачок

Разомкнутые линии (холостой ход)

Схемная модель

Замкнутая линия (короткое замыкание)

Схемная модель

Пример использования сосредоточенных и :

Параллельный колебательный контур

Последовательный колебательный контур

Резонаторы

В ИС СВЧ используются печатные и объемные резонаторы. Чаще всего выполняют в виде отрезков МПЛ длиной .

а). Короткое замыкание.

Схемная модель

б). Холостой ход.

Короткозамкнутый резонатор обладает более высокой добротностью и меньшим кольцевым излучением по сравнению с разомкнутым. Но недостаток короткозамкнутых резонаторов - необходимость применения специальных короткозамыкателей.

Параллельное подключение к линии LC-цепочка (последовательный контур).

Параллельный контур

Разомкнутый отрезок линии - C

Короткозамкнутый отрезок линии - L

Печатные резонаторы.

В печатных резонаторах в виде конца или квадрата отсутствуют краевые эффекты.

Если толщина диэлектрика мала (), то в кольцевом резонаторе

Чем шире кольцо, тем более высокие типы колебаний могут возбудиться. При ширине кольца больше в резонаторе возникают высшие типы колебаний . В пределе () кольцевой резонатор преобразуется в дисковый.

Дисковый резонатор.

Чем больше радиус диска, тем более высокие типы колебаний возбуждается.

, - функция Бесселя n-го порядка.

Зазор (см. 4) выбирается таким, чтобы с одной стороны не искажалось поле резонатора, а с другой - обеспечивалась необходимая величина связи.

Объемные резонаторы - диски из диэлектрика или феррита. Принцип действия основан (стержень, сфера, параллелепипед) на явлении полного внутреннего отражения от границы раздела диэлектрик-воздух.

Большое и малое . Недостатки: 1. Необходимость экранирования; 2. чувствительны к колебанию температуры.

Ферритовые - могут быть перестраиваемыми при изменении поля подмагничивания.

Фильтры ИС СВЧ

В качестве базовых элементов в фильтрах используются МПЛ, которые в отличие от прямоугольного волновода не имеют нижней частоты отсечки (течет и постоянный ток).

ФНЧ используются в схемах детекторов, смесителей, в цепях питания.

ФНЧ с распределенными параметрами:

Отрезки линии с высоким волновым сопротивлением эквивалентны последовательной индуктивности, а чередующиеся с ними отрезки с низким - параллельные емкости.

ФНЧ с сосредоточенными параметрами:



Рассмотреть пример расчета фильтра (см. Фуско).

ФВЧ

На короткозамкнутых отрезках линий реализуется индуктивный элемент

Полосовые фильтры.

а). ПФ на линии с зазорами.

Полосовые фильтры могут быть реализованы на основе микрополосковых резонаторов, связанных между собой определенным образом. Расстояние между центрами зазоров равно , а величина зазора определяет полосу пропускания фильтра (чем меньше зазор, тем сильнее резонаторы связаны и шире полоса пропускания). Из-за технических трудностей: 1. реализация малых , ; 2. Длина фильтра получается большой.

Увеличение количества резонаторов расширяет полосу пропускания.

б). Более компактная конструкция ПФ со связью полуволновых полосковых резонаторов через боковые поверхности

Общий недостаток ПФ на связанных резонаторах - чувствительность к техническим допускам () уход центральной частоты фильтра. (при этом изменяется ).

Затухание фильтра в полосе пропускания тем меньше, чем выше собственная добротность и чем меньше число звеньев и выше собственная добротность резонаторов.

в). ПФ на встречных стержнях (четвертьволновых резонаторах).

Имеют малые геометрические размеры

Широкую полосу пропускания - до 60%.

Недостаток: необходимость обеспечения короткого замыкания.

Применяются также высокодобротные (емкость на порядок выше чем у печатных) объемные диэлектрические резонаторы, что позволяет получать более узкие .

Дисковый последовательно включенный резонатор:

Используются также полосовые фильтры на поверхностно акустических волнах (ПАВ). При распространении ПАВ вдоль поверхности кристаллических твердых тел эти волны имеют малые потери. Кроме того, ПАВ могут быть недисперсионными.

Пьезопреобразователь от которого распространяются ПАВ. Штыревая структура располагается на поверхности пьезоподложки (например, кварцевой). Данная структура создает электрическое поле, которое за счет пьезоэффекта вызывает упругие деформации, распространяющиеся от преобразователя в виде ПАВ.

5. Малошумящие цепи СВЧ

Источники шума в субмикронных ПТШ.

В термодинамическом равновесии спектральная плотность шума описывается соотношением Найквиста. При этом справедливо соотношение Эйнштейна . Соотношение Эйнштейна, в свою очередь, выполняется, когда электроны имеют распределение Максвелла.

В сильных электрических полях проявляются эффекты разогрева и значение пробретает так называемый диффузионный шум, т.е. шум, обусловленный рассеянием носителей.

Спектральная плотность теплового шума, связанная с флуктуациями скорости (коэффициента диффузии), описывается соотношением:

, где

- сопротивление ячейки .

Шум канала полевого транзистора:

,

где - коэффициент, учитывающий нетепловую природу шума канала - (в сильных электрических полях увеличивает вклад шума канала за счет уменьшения подвижности электронов), - температура электронного газа.

Шумы областей, находящихся в термодинамическом равновесии - омических контактов (истока, стока, затвора) описываются соотношением Найквиста.

Шум, наведенный на затворе связан с тем, что на высоких частотах флуктуации тока приводят за счет емкостной связи с затвором к флуктуациям наведенного тока затвора. (частотно-зависимый шум).

,

где - коэффициент (близкий к 1) и зависящий от потенциала на электродах транзистора.

Этот источник коррелирован с источником . Степень корреляции определяется по формуле:

, откуда

В короткоканальных (субмикронных) транзисторах необходимо учитывать шум токораспределения между каналом и подложкой. Шум токораспределения связан со случайным характером распределения тока между двумя цепями. По аналогии с ламповым тетродом:

,

где - ток стока, составляющие канала и подложки.

Максимальный шум токораспределения при .

Шумовая схемная модель ПТШ



Анализ составляющих шума субмикронного ПТШ:

Малошумящий режим связан с напряжением на затворе, близком к потенциалу отсечки тока стока. В этом режиме носители под затвором движутся по подложке, преодолев потенциальный барьер канал-подложка и потеряв часть энергии. Это приводит к уменьшению вероятности междолинного рассеяния. Шум, связанный с разогревом носителей является преобладающим в субмикронных ПТШ.

Шум токораспределения при минимален, так как полный ток равен току подложки ( мал). Вклад этой составляющей минимален.

Шум, наведенный на затворе в малошумящем режиме также минимален, так как при увеличении имеет обратную зависимость.

Шум канала также минимален, так как (см. п.1)



Температура электронов (вдоль канала) может быть найдена по формуле:

где - равновесное значение , - константа Больцмана, - энергия (эВ), - равновесное значение (эВ), - заселенность верхних долин, - энергетический зазор между верхней и нижней долинами.

разогревный шум

шум, наведенный на затвор

шум омических контактов

Минимальный коэффициент шума

Минимальный коэффициент шума связан с обеспечением всех необходимых факторов, которые приводят к минимальному значению коэффициента шума. (Выбор электрического режима и условия согласования). Методика расчета минимального коэффициента шума может быть сведена к следующим этапам, учитывая, что выбор оптимальных значений питающих напряжений также приводит к оптимальным значениям шума.

Пересчет локальных шумовых источников ко входу и выходу четырехполюсника, используя принцип суперпозиции для линейных цепей, при этом суммарные токи на входе и на выходе:

Расчет волновых шумовых параметров (- параметров).

В предположении большого усиления , когда шумами нагрузки можно пренебречь, минимальный коэффициент шума запишется:

где ,

Оптимальный коэффициент отражения по входу с учетом согласования входа четырехполюсника определяется:

При допущении об отсутствии влияния нагрузки на шумы на входе, что практически всегда выполняется, то условие согласования на выходе четырехполюсника - это условие передачи максимальной мощности (комплексно-сопряженное согласование). При этом:

Расчет коэффициента усиления по мощности и коэффициента устойчивости

По рассчитанным при условии минимального шума и рассчитываются оптимальные значения и , обеспечивающие минимум шума (могут быть и ).

;

; где .

т.е. это такие нагрузки, которые необходимо обеспечить на входе и на выходе четырехполюсника. При стандартном сопротивлении генератора и нагрузки для получения на входе и на выходе четырехполюсника , необходимо использовать согласующие трансформаторы (согласующие цепи).

При известных , , сопутствующий коэффициент усиления:

,

где - матрица проводимости четырехполюсника.

Коэффициент устойчивости:

где .

Анализ неоднородностей субмикронных полевых структур

Это актуально, так как при субмикронных размерах неоднородности могут быть сравнимы с рамерами структуры.

В реальных структурах (активных и пассивных) имеют место неоднородности, возникающие вследствие технологических погрешностей их изготовления. Их учесть можно, например, представляя транзистор в виде некоторой дискретной структуры вдоль третьей координаты (ширины затвора). Тогда каждая из секций будет описываться своим набором физико-топологических параметров и соответственно, Y-матрицей. Т.е. структура представляется в виде параллельно-соединенных четырехполюсников:

Параметры (геометрические, физические) в каждой секции могут задаваться либо детерминированной функцией, либо случайным образом (по соответствующему закону распределения - нормальному, равномерному, т.д. по методу Монте-Карло).

После получения результирующей Y-матрицы высокочастотные параметры рассчитываются известными методами.

Уравнения для учета распределенных эффектов в полевых структурах

здесь - погонное сопротивление затворной линии передачи, а - параметры погонной матрицы проводимости активной области транзистора, т.е. матрицы проводимости активной области транзистора,, т.е. матрицы проводимости ПТШ (без учета сопротивления металлизации затвора) единичной ширины.

Первое уравнение характеризует падение напряжения на участке затворной линии . Два других уравнения устанавливают связь между токами и напряжениями на четырехполюснике дифференциальной секции транзистора.

Уравнения записаны в предположении эквипотенциальности стока и истока (т.е. их сопротивления растекания пренебрежимо малы).

Уравнения записаны для трех переменных: тока стока и затвора , а также напряжение затвор-исток .

Активная область ПТШ описывается схемной моделью с сосредоточенными параметрами, которая учитывает свойства линии на полупроводниковой подложке, в которой происходят дрейф горячих носителей. Распространяющаяся электромагнитная волна локализуется в области пространственного заряда под затвором (низкопроводящая область, близкая по своим свойствам к диэлектрику). Проникновение поля в обедненный слой подложки ограничивается высокопроводящим слоем канала.

Решение уравнений распределенной модели ПТШ

Первые два уравнения п.5.6 можно рассматривать как систему уравнений для определения и . Разделение переменных осуществляется повторным дифференцированием и последующей перекрестной подстановкой. Обозначая , получим

Решение уравнений можно представить в форме:

(*)

Подставим эти решения в одно из исходных уравнений первого порядка. Приравнивая слагаемые при одинаковых функциях, получим связь между двумя парами постоянных:

Здесь по аналогии с длинными линиями, соответствует значению волнового сопротивления.

Еще две постоянные интегрирования можно найти из условий и . Подставляя в уравнения (*) получим:



В итоге выражения, характеризующие распределение амплитуд напряжения и тока, можно представить в форме:

Полученные функции позволяют установить связь амплитуд входного и выходного токов для транзистора в целом с амплитудами напряжений.

Из последнего выражения для при получим:

Подставляя в третье уравнение исходной системы (п.5.6), интегрированием по всей ширине затвора получим выражение для полного тока стока:

Два последних уравнения связи и с и позволяют перейти к параметрам сосредоточенной модели транзистора без учета сопротивления металлизации затвора:



Уравнения и матрица проводимости затворной линии

Выражения, описывающие распределения амплитуд напряжения и тока (подставляя выражения для и в систему (*):

Полученные функции позволяют установить связь амплитуд входного и выходного токов для транзистора в целом с амплитудами напряжений.

Из последнего выражения для при получим:

Подставляя в третье уравнение исходной системы (п.5.6), интегрированием по всей ширине затвора получим выражение для полного тока стока:

Два последних выражения представляют из себя уравнения четырехполюсника, в которых коэффициенты при и представляют элементы матрицы проводимости распределенного четырехполюсника:

6. Генераторы СВЧ

Транзисторные генераторы СВЧ колебаний.

В отличие от диодов Ганна, туннельного диода, в транзисторном генераторе необходимо создание положительной обратной связи. В генераторах используется участок с дифференциальной отрицательной проводимостью. Рассмотрим генераторы с фиксированной частотой генерации на транзисторах. (В перестраиваемых генераторах - электронная перестройка посредством варикапов).

Условие генерации:

необходимое условие для устойчивости автоколебаний.

При моделировании используются следующие допущения:

Уровень мощности основной частоты >> мощности гармонических составляющих.

Используется допущение о форме сигнала - сигнал считается синусоидальным.

Используется схемная модель ПТШ с нелинейными элементами.

Схема автогенератора на ПТШ с общим истоком:



Порядок анализа генераторов на транзисторах:

Определение зависимостей элементов схемной модели от электрического режима; ;

Определение -матрицы ПТШ, и для получения требуемого значения ;

Синтез согласующих цепей;

Определение выходной мощности с учетом нагрузки на частоте генерации.

Мощные генераторы содержат до 10 параллельно включенных затворов (транзисторов).

Генераторы СВЧ на GaAs ПТШ

В отличие от диодов Ганна, туннельного диода, в транзисторном генераторе необходимо создание положительной обратной связи. В генераторах используется участок с дифференциальной отрицательной проводимостью. Рассмотрим генераторы с фиксированной частотой генерации на транзисторах. (В перестраиваемых генераторах - электронная перестройка посредством варикапов).

Для анализа используются следующие допущения:

Уровень мощности основной частоты >> мощности гармонических составляющих.

Используется допущение о форме сигнала - сигнал считается синусоидальным.

Пренебрегаем паразитными реактивными элементами.

Используется упрощенная схемная модель ПТШ с одним нелинейным элементом ().

Граничная частота генерации:

(частота, при которой ).

Максимальная частота генерации:

(частота, при которой однонаправленный коэффициент усиления > 1).

Кроме того, необходимо учитывать распределенный характер затвора:

(*)

т.е. является функцией среднего квадратического напряжения на емкости

- крутизна ПТШ в режиме малого сигнала.

можно рассчитать, если предположить, что изменяется в зависимости от по тому же закону, по которому она изменяется в зависимости от постоянного напряжения на затворе , тогда . Из (*) следует, что

- напряжение отсечки, - постоянное напряжение на стоке, - напряженность электрического поля, при котором наступает насыщение носителей, - напряженность электрического поля в канале ПТШ.

Мощность, выделяемая в нагрузке :

- напряжение на нагрузке

Автогенератор с общим истоком может содержать как распределенные, так и сосредоточенные элементы.

может быть, например, разомкнутый емкостной шлейф.

- стандартное волновое сопротивление тракта

- условие генерации

- необходимое условие для устойчивости автоколебаний.

- полное сопротивление согласующей цепи и волновое сопротивление тракта.

Отрицательная выходная проводимость создается с помощью и .

Матрица проводимости схемы:

где .

Соотношение между и для обеспечения условия генерации:

.

Мощные генераторы содержат до 10 параллельно включенных затворов (транзисторов).

-

максимально возможный коэффициент однонаправленного усиления - при нейтрализованной внутренней обратной связи и комплексно-сопряженном согласованием по входу и по выходу.

Структурная схема генератора на ПТШ:

Порядок анализа генераторов на транзисторах:

Определение малосигнальных параметров схемной модели транзисторов в рабочей области напряжения питания

Определение и , необходимые для получения требуемого значения ;

Синтез согласующих цепей;

Определение выходной мощности с учетом нагрузки на частоте генерации.

Оптимизация нагрузок автогенератора (зависимость имеет экстремум) под. заданные значения и (к.п.д.).

Интерес представляют схемы без согласующих элементов на выходе - нагрузкой является стандартная линия.

Зависимость малосигнальных параметров схемной модели от электрического режима:

Автогенераторы СВЧ на туннельных диодах

Туннельный диод благодаря широкому частотному диапазону, малой потребляемой мощности и высокой температурной стабильности применяется в СВЧ (до 200 ГГц) и высокостабильных генераторах. Недостатком генераторов на туннельных диодах является малая выходная мощность.

С помощью отрицательного сопротивления на участке AB - который является рабочим, компенсируются потери в колебательном контуре и возникают незатухающие колебания. (Ширина падающего участка не превышает несколько десятков милливольт, поэтому амплитуда генерируемых колебаний небольшая и мощность малая).

Для уменьшения искажений используется только линейный участок ВАХ.

Принципиальная схема и схемная модель:

Условие самовозбуждения: , т.е.: - баланс амплитуд - когда величина оказывается достаточной, чтобы скомпенсировать потери в контуре.

Здесь - общее активное сопротивление, учитывающее сопротивление делителя и сопротивление контура, - емкость диода, - делитель, обеспечивающий положение рабочей точки.

В такого рода схемах (в отличие от транзисторных) нет необходимости в обратной связи. Здесь обратная связь заложена в физическом механизме работы и выражается в возникновении отрицательного сопротивления при правильном выборе рабочей точки. Однако, особенность связана с тем, что источник питания должен обладать малым внутренним сопротивлением, чтобы рабочая точка могла попасть на падающий участок, кроме того входит в и влияет на частоту генерации. Для этого необходимо выполнять условия:

, .

Требования к источнику питания: малое внутреннее сопротивление, чтобы не сдвигалась рабочая точка.

Трехточечные схемы автогенераторов на туннельных диодах

А.Г. с последовательным питанием:

А.Г. с параллельным питанием:

- блокировочная емкость, уменьшает на высоких частотах влияние на контур.

При параллельном питании постоянный ток не поступает в контур, что предотвращает разогрев катушки контура, что способствует повышению стабильности.

- развязка источника (большое внутреннее сопротивление при параллельном соединении). Для устранения самовозбуждения в контуре последовательно с дросселем включается резистор .

Список литературы

В. Фуско. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированные проектирование. М.: «Радио и связь». 1990. 288 с.

А.Д. Григорьев. Электродинамика и техника СВЧ. М.: «Высшая школа». 1990. 335 с.

Микроэлектронные устройства СВЧ. /Н.Т. Бова, Ю.Г. Ефремов, В.В. Конин и др. К.: Техніка. 1984. 184 с.

Конструирование экранов и СВЧ устройств. / А.М. Чернушенко, Б.В. Петров, Л.Г. Малорацкий, Н.Е. Меланченко, А.С. Бальсевич. Под ред. А.М. Чернушенко. М.: “Радио и связь”. 1990. 352 с.

К. Гупта, Р. Гардж, Р. Чадха. Машинное проектирование СВЧ устройст. М.: “Радио и связь”. 1987. 432 с.

З.Г. Каганов. Электрические цепи с распределенными параметрами и цепные схемы. М.: Энергоатомиздат. 1990. 248 с.

Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р. Синтез четырехполюсников и восьмиполюсников на СВЧ. М.: Связь. 1971. 388 с.

Жалуд В., Кулешов В. Шумы в полупроводниковых устройствах. М.: Сов. Радио. 1977. 416 с.

Веселов Г.И. Микроэлектронные устройства СВЧ. М.: «Высшая школа». 1988.

Гассанов Л.Г., Липатов А.А. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи. М.: «Радио и связь». 1988. 288 с.

Данилин В.Н., Кушниренко А.И., Петров Г.В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. М.: «Радио и связь». 1985.

Размещено на Allbest.ru

...