21_Электронные ИС (конспект лекций за второй семестр преподаватель Ляхова 2)

2. Радиочастотные ИС.

Интегральные схемы (ИС) более сложны и дороги в изготовлении, чем печатные платы на органических подложках. Их используют, если необходимы

- малые размеры (высокую разрешающую способность обусловливают малая толщина пленки),

- большое значение диэлектрической проницаемости ε керамики (важно для длинноволновых устройств, длина волны в линии передачи λ _Л = λ₀ √ε_эф, λ₀ – длина волны в свободном пространстве),

- резисторы, конденсаторы, индуктивности.

ИС строятся из элементов, размеры которых или существенно меньше рабочей длины волны или сравнимы с ней. Первых считают элементами с сосредоточенными параметрами, вторых – с распределенными параметрами. Очевидно, с уменьшение длины волны первые трансформируются во вторые.

Пленочные элементы с сосредоточенными параметрами.

Рис. Тонкопленочные резисторы.

Сопротивление резистора R = R_уд l / (b h),

где R_уд – удельное сопротивление резистивного покрытия, l длина резистора, b – ширина резистора, h – толщина резистивного покрытия. Площадь резистора зависит от уровня мощности, необходимой для рассеивания. В противном случае резистор будет разрушен.

Рис. Пленочные последовательные конденсаторы.

Рис. Пленочные параллельные ёмкости (второй обкладкой служит металлизированный экран).

Рис. Пленочные катушки индуктивности: а – в виде меандра, б – в виде спирали, в – прямоугольная. Варианты (б) и (в) требуют дополнительной операции пайки или сварки.

Устройства с распределенными параметрами.

Рис. Распределенные поглощающие покрытия: 2 – проходной аттенюатор, 3 – оконечная поглощающая нагрузка. (Поглощающие покрытия эффективны, когда они расположены параллельно силовым линиям электрического поля.)

Линии передачи (ЛП) на керамических подложках характеризуются волновым сопротивлением:

Z = √ L/C,

где L – погонная индуктивность, а C – погонная емкость. Типичным значением волнового сопротивления для СВЧ линий передачи – 50 Ом (для телевизионных трактов – 75 Ом).

Основными типами высокочастотных пленочных линий передачи являются микрополосковая, щелевая, копланарная.

Рис. Пленочные линии передачи: (а) – микрополосковая линия, (b) – двухпроводная линия возможно расположение в одной плоскости), (c) – щелевая линия, (d) – копланарная линия.

Переходы между линиями передачи расширяют возможности интегральной технологии, уменьшают число монтажных операций.

Рис. Элементы конструкции линий передачи СВЧ с переходами на прямоугольный волновод: (а) - микрополосковая линия → волновод, (б) – волновод → двухпроводная линия (волноводно-щелевая линия) → микрополосковая линия, (в) - волновод → щелевая линия. 1 - микрополосковая плата, 2 - прямоугольный волновод со ступенчатым переходом к П - волноводу; 3 - соединительная перемычка (со стороны экрана тоже), 4 - плата.

Рис. Связь двух микрополосковых линий с помощью щелевой линии.

Рис. Переходы между различными пленочными линиями передачи: (a) двумя микрополосковыми линиями через щелевую, (b) – микрополосковой и двухпроводной, (c) - микрополосковой и щелевой, (d) – копланарной и микрополосковой.

Наиболее используемой является микрополосковая линия, благодаря легкому соединению отдельных пассивных и активных устройств без дополнительных технологических операций. Конструкция имеет малый вес и габариты. Однако открытая конфигурация предполагает излучение, переотражение энергии и паразитную электромагнитную связь между устройствами. Поскольку поглощающие покрытия эффективны, когда они расположены параллельно силовым линиям электрического поля, нанесение их на поверхность подложки нецелесообразно.

Рис. Излучения в микрополосковой структуре

Линии передачи (ЛП) хорошо моделируются теорией длинных линий. В линии передачи с волновым сопротивление 50 Ом, нагруженная на сопротивление 50 Ом распространяется бегущая волна, отражение отсутствует. Во всех других случаях падающая волна отражается от нагрузки. Суперпозиция падающей и отраженной волн формирует стоячую волну.

Рис. Эпюры напряжения, тока и входного сопротивления в (А) – разомкнутой (режим холостого хода – ХХ) и (Б) короткозамкнутой (КЗ) линий передачи.

• в линии, разомкнутой на конце, устанавливается режим стоячей волны, напряжение U, ток I и входное сопротивление X_вх вдоль линии изменяются по периодическому закону с периодом λ_Л/2;

• входное сопротивление разомкнутой линии является чисто мнимым за исключением точек с координатами z = n λ_Л/4, n = 0,1,2,...;

• если длина разомкнутой линии меньше λ_Л/4, то такая линия эквивалентна емкости;

• разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/4 эквивалентна последовательному резонансному на рассматриваемой частоте контуру и имеет нулевое входное сопротивление;

• линия, длина которой лежит в интервале от λ_Л/4 до λ_Л/2, эквивалентна индуктивности;

• разомкнутая на конце линия длиной λ_Л/2 эквивалентна последовательному резонансному контуру на рассматриваемой частоте и имеет бесконечно большое входное сопротивление.

• Отрезок короткозамкнутой линии, длиной меньше λ_Л/4 имеет индуктивный характер входного сопротивления, а при длине λ_Л/4 такая линия имеет бесконечно большое входное сопротивление на рабочей частоте.

Шлейфы. Отрезки линий передачи, включенные параллельно в основную ЛП, называются шлейфами. В зависимости от длины и режима на его конце (ХХ или КЗ) входное сопротивление шлейфа может быть емкостным, индуктивным или комплексным. Шлейфы используются в качестве элементов согласования активных устройств.

Рис. Согласующий шлейф транзисторного устройства.

Для высоких частот резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности характеризуются комплексными сопротивлениями. Существенно увеличиваются паразитные емкость и индуктивность, а также влияние короткозамыкателя. Традиционная схема с металлизированным отверстием между контактной площадкой и заземленным экраном представляет собой контур с резонансной частотой около 10 ГГц для поликоровой подложки толщиной 0.5 мм. Для узкополосных (в пределах 10%) устройств короткозамыкатель может быть заменен разомкнутым шлейфом: режим ХХ через λ_Л/4 трансформируется в режим КЗ.

Рис. Резистор со шлейфовым короткозамыкателем.

Геометрическая длина шлейфа зависит от величины эффективной диэлектрической проницаемости ε_эфф

l _ш = λ_Л/4 = λ₀/4 √ε_эфф

λ_Л – длина волны в ЛП, λ₀ - длина волны в свободном пространстве.

Рис. Силовые линии электрического поля в микрополосковой линии передачи.

Величина ε_эфф зависит от доли электрического поля в диэлектрической подложке. Чем шире микрополосковый проводник, тем больше ε_эфф.

λ_Л = λ₀ √ε_эфф

Трансформаторы. Отрезки линий передачи, включенные последовательно (каскадно) в основную ЛП, называются трансформаторами полных сопротивлений.

Рис. Схема четвертьволнового трансформатора.

Входное сопротивление трансформатора Zin, сопротивления нагрузки Z_L , Z_O – волновое сопротивление ЛП трансформатора.

Обычно задача состоит в определении волнового сопротивления трансформатора:

Z₀ =√ Z_in Z_L

Трансформатор с высоким волновым сопротивлением эквивалентно последовательной индуктивности, а с низким – емкости.

Рис. Эквивалентная схема последовательной индуктивности (а) и её топология (б)

Делители мощности.

Наиболее простые делители мощности для согласования узла разветвления используют трансформаторы. 50 -Омное подводящее плечо в точке разветвления подключается к параллельному соединению 2-х 50 –Омных отводящих плеч с результирующим входным сопротивлением 25 Ом. Необходимо получить входное сопротивление в точке разветвления – 100 Ом. (Zin = 100 Ом, Z_L = 50 Ом)

Z_O = √ (Zin ∙ Z_L ) = √ (100 ∙ 50) =70.7 Ом.

Четвертьволновый трансформатор в отводящем плече должен обладать волновым сопротивлением 70.7 Ом. Другой вариант – сформировать трансформатор в подводящем плече. Zin = 50 Ом, Z_L = 25 Ом. Волновое сопротивление трансформатора:

Z_O = √ (Zin ∙ Z_L ) = √ (50 ∙ 25) =35.35 Ом.

Рис. Ненаправленный делитель мощности с согласующим одноступенчатым трансформатором (а) - в отводящем плече, (б) - в подводящем плече.

Одноступенчатые делители работают в узком диапазоне частот. Для расширения частотного диапазона используют многоступенчатые трансформаторы.

Рис. Ненаправленные делители с многоступенчатыми трансформаторами.

Рис. Частотные характеристики коэффициента стоячей волны делителей с одноступенчатыми и многоступенчатыми трансформаторами.

Ненаправленные делители мощности могут работать на хорошо согласованную нагрузку и только в режиме деления, поскольку согласование проводилось лишь со стороны входного плеча. При подаче сигнала в одно из отводящих плеч он непременно поступает во второе отводящее плечо. Для изоляции отводящих плеч используется кольцевой делитель с омической нагрузкой. В режиме деления от плеча 1 амплитуды и фазы разделенных пополам сигналов на выходах 2 и 3 одинаковы. Разность потенциалов на контактах резистора отсутствует, ток через резистор не течет. В режиме деления нет диссипативных потерь.

В режиме суммирования, когда сигналы подаются со стороны плеч 2 и 3, в общем случае амплитуды и фазы сигналов не совпадают. Ток через резистор протекает. Происходят существенные потери мощности сигналов. При подаче сигнала в плечо 2 сигналы на контактах резистора находятся в противофазе, поэтому частично компенсируют друг друга. Это определяет изоляцию плеч 2 и 3. Такой кольцевой делитель удобен, например, для ввода сигналов входного и гетеродинного в одинарный смеситель. Тракты входного и гетеродинного сигналов должны быть изолированы. В противном случае гетеродинный сигнал будет излучаться в эфир, а мощный входной сигнал сможет дестабилизировать работу гетеродина.