Диссертация (1090806), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Для обеспечения усиления сигнала усилитель, последовательно скоторым соединен источник питанияЕп , должен включать в себя нелинейныйэлемент, управляемый входным электрическим сигналом # . входной—14 —(управляющей) цепи усилителя подключен источник ЕС усиливаемого сигнала (приэтом & – комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а квыходной – нагрузочное устройство с сопротивлением ' .Рисунок 1.1 - обобщенная структурная схема усилительного устройстваУсилительные устройства находят очень широкое применение. Ониявляются основными узлами различной электронной аппаратуры, широкоиспользуютсявустройствахавтоматикиителемеханики,вследящих,управляющих и регулирующих системах, счетно-решающих и вычислительныхмашинах, контрольно-измерительных приборах и т.п.Усилители могут быть классифицированы:- по используемой технологии: кремний, GaN, SiGe, GaAs, pHEMT и др.- по конструктивным особенностям: бескорпусные, МИС, на дискретныхэлементах, в виде модуля или блока- по назначению: специализированные (для конкретного стандарта – WLAN),двунаправленные, операционные, логарифмирующие и др.- по характеристикам: полосе частот (узкополосные, широкополосные и др.),уровню шума (малошумящие, среднего уровня шума), выходной мощности(маломощные, мощные, экономичные), коэффициенту передачи (с высокимусилением,каскадируемые,ограничивающие).управляемые),линейности(высоколинейные,—15 —- по классам усиления: A (ток протекает весь период колебаний), AB, B (токпротекает половину периода колебаний) и другие.1.1 Основные характеристики усилителейК основным параметрам усилителей относятся:Рабочая полоса частот - диапазон, по краям которого усилениягармонического сигнала малой мощности уменьшается на 3 дБ по сравнению сосредним значением.Абсолютная ширина полосы – диапазон частот, в котором сигналыусиливаются без заметных искажений.Полоса и абсолютные значения усиливаемых частот позволяют разделитьусилители на следующие типы:- усилители постоянного тока (усилители медленно меняющихся напряженийи токов) предназначены для усиления электрических колебаний в пределах отнизшей частоты н , равной нулю, до верхней рабочей частоты в усилителя,составляющей например десятки и сотни килогерц;- усилители переменного тока предназначены для усиления лишьпеременных составляющих входного сигнала.
В зависимости от граничныхзначений рабочего диапазона частот усилители переменного тока могут бытьнизкой и высокой частоты. Для усилителей низкой частоты справедливонеравенство в – н >>н . Частотный спектр таких усилителей лежит в пределах отдесятков герц до десятков (сотен) килогерц. В усилителях высокой частотыусилениесигналаосуществляетсявдиапазонечастот,определяемыхнеравенством: в – н <<в .По ширине полосы усиливаемых частот разделяют избирательные иширокополосные усилители.
Избирательные усиливают электрические сигналы вузкой полосе частот в /н <1.1. За пределами этой полосы усиление резко падает.Эти усилители могут использоваться как на низких, так и на высоких частотах и—16 —выступают в качестве своеобразных частотных фильтров, позволяющих выделить(или подавить) заданный диапазон частот электрических колебаний. Узкая полосачастотного диапазона во многих случаях обеспечивается применением в качественагрузки таких усилителей одного или нескольких колебательных (резонансных)контуров.
Широкополосные усиливают электрические сигналы в очень широкомдиапазоне частот в /н > 2.Внекоторыхслучаяхнормируетсянаибольшаянеравномерностькоэффициента передачи в рабочей полосе (например, ±2 дБ).Коэффициент передачи — это функция, определяемая как отношениевыходного сигнала усилителя к его входному сигналу. В зависимости от формыматематическогопредставлениясамихсигналовразличаютсяиформыпредставления коэффициента передачи.При рассмотрении высоколинейных схем, которые не вносят в усиливаемыйсигнал амплитудных искажений и фазовых сдвигов, вместо комплексной функцииоператорного коэффициента передачи оперируют более понятными, имеющимидостаточно простую интерпретацию коэффициентами усиления.
Различают:коэффициент усиления по напряжению () =току (, =,+вых,+вх,+вых,+вх)+вых)+вх), коэффициент усиления по), коэффициент усиления по мощности (- =-+вых-+вх= ) , =)+вых)+вх∙).Коэффициент усиления, выраженный в децибелах:- [дБ] = 10 lg-+вых-+вх; ) [дБ] = 20 lg)+вых)+вх; , дБ = 20 lg,+вых,+вх(1.1)Амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) называется зависимостьмодуля коэффициента усиления К от частоты входного сигнала f (либо от круговойчастоты = 2) [12].Коэффициент стоячей волны. На практике чаще всего используетсякоэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН).
Характеризует степень—17 —согласования тракта и нагрузки (также говорят о согласовании выхода антенны ифидера). В идеальном случае равен единице, в таком случае отраженная волнаотсутствует. На практике всегда часть передаваемой энергии отражается ивозвращается в передатчик.
Отраженная энергия ухудшает работу передатчика иможет его повредить.Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно рассматривать какактивный четырехполюсник, к входным зажимам которого подключается источникусиливаемого сигнала, а к выходным – сопротивление нагрузки. Входное ивыходное сопротивления – важнейшие параметры усилительных устройств. Ихзначения должны учитываться при согласовании усилительного устройства как систочником входного сигнала, так и с нагрузкой. В общем виде значения входногои выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функциейчастоты.Шумы транзистора. Шум порождается спонтанными флуктуациями, егоисточникам могут быть колебания электронной и дырочной проводимостей из-заих конечной температуры (тепловой шум), дискретная природа протекающего тока(дробовой шум) и другие [13].
Спектр шума может лежать в интересующей полосечастот и вносить искажения в полезные сигналы. Наиболее часто в качествехарактеристики шума используется коэффициент шума, но существуют и другиепараметры, например, шумовая температура [14], [15]. Коэффициент шума можноопределить, как отношение относительной мощности сигнал/шум на входе цепи котносительной мощности сигнал/шум на выходе цепи.=9: /<:9= /<=(1.2)Шум-фактор. Определяет шумовые свойства, представляет отношениеполной мощности шума на выходе к той его части, которая обусловлена шумом навходе (когда температура источника входного шума 290 К), его можно представитьв виде:—18 —<> ?@A= BC=(1.3)@A= BCгде k – постоянная Больцмана; T0 – температура в градусах Кельвина (290 К);B – шумовая полоса системы; G –коэффициент передачи испытуемого устройства;Na – добавочный шум испытуемого устройства.Современноеупотреблениетермина«коэффициентшума»обычноиспользуется для величины NF, выраженной в децибелах: = 10 log (1.4)Основной задачей входного каскада является согласование электрическиххарактеристик источника входного сигнала (в частности антенны) и усилителя, приэтом он оказывает наибольший вклад в суммарный уровень шума схемы.
ФормулаФрииса для расчета уровня шума:FGF = # +IJ K#CL+IM K#CL CJ+⋯IO K#CL CJ …COQL(1.5)где FGF – уровень шума схемы; R – шум i-го каскада; R – коэффициентпередачи i-го каскада.По формуле видно, что вклад второго и последующих каскадов в общийуровень шума значительно ниже, чем вклад первого каскада. Коэффициент шумаможет быть уменьшен при работе усилителя на низких температурах, токах инапряжениях [16].
Выходной каскад должен обеспечить подачу в нагрузкузаданной мощности сигнала.Выходная мощность. Выходная мощность – это полезная мощность,развиваемая усилителем в нагрузочном сопротивлении. Увеличение выходноймощности усилителя приводят к росту нелинейных искажений, которые возникаютза счет нелинейности характеристик усилительных элементов при большихамплитудахсигналов.Поэтомучащевсегоусилительхарактеризуютмаксимальной мощностью, которую можно получить на выходе при условии, чтоискажения не превышают заданной (допустимой) величины.
Эта мощностьназывается номинальной выходной мощностью усилителя.—19 —При малом уровне входного сигнала усилитель работает в линейном режиме,однако с увеличением мощности входного сигнала начинают оказывать большоевлияние нелинейные свойства усилителя [17]. В случае узкополосного илиоктавного усилителя их оценивают по спектральным компонентам входногосигнала при подаче на вход двух гармонических колебаний одинакового уровняPвх/2 и с близкими частотами f1 и f2, тогда спектр мощности выходного колебаниявключает следующие составляющие:− основные (на частотах f1 и f2);− компоненты удвоенных частот (2·f1 и 2·f2);− комбинационные компоненты второго порядка с частотами |f1 ± f2|;− продукты нелинейных преобразований третьего порядка с частотами|2·f1 ± f2| и |2·f2 ± f1|;− интермодуляционные продукты более высокого порядка.Суммарнаявыходнаямощностьосновныхсоставляющихпадаетсувеличением Pвх и при достижении «точки 1 дБ компрессии» (Pвх=P1дБ)коэффициент усиления Kp уменьшается на 1 дБ.
В случае дальнейшего увеличениявходной мощности (Pвх > P1дБ) достигается режим насыщения (Pвых.нас) при которомдальнейшее увеличение мощности на входе не приводит к увеличению выходноймощности.Динамический диапазон уровня входного сигнала – выраженное в дБ,отношение [18]:D = 10·log(Pвх.1дБ/Pвх.min)(1.6)Энергопотребление характеризуется напряжением питания (подаваемое насток транзистора) и током стока.Коэффициент полезного действия.
Общепринятое обозначение PAE (от англ.- «Power Added Effeciency») – выраженное в процентах соотношение:ηPAE = Pвых.1дБ/P0(1.7)где P0 - потребляемая мощность (произведение напряжения питания на ток в—20 —стоковой цепи).1.2 Технологии и полупроводниковые материалы для создания СВЧтранзисторовАрсенид галлия много лет является доминирующей технологией в СВЧэлектронике. В последние годы растет количество работ по конкурирующимтехнологиям, в частности это нитрид галлия, кремний-германий и другие.Существенный стимул развитию приборов на арсениде галлия придалигосударственные программы, так еще в 1982 году DARPA начала программуAdvanced On-Board Signal Processing (AOSP) для развития высокоскоростнойцифровой обработки сигналов.
Задачей этой программы было наращивание объемаобрабатываемых GaAs пластин. После её завершения, в 1987 году стартовалапрограмма Microwave and Millimeter Wave Monolithic Integrated Circuits (MIMIC),целью которой была замена в военной аппаратуре гибридно-интегральныхконструкций на монолитные СВЧ устройства с требуемыми электрическими,механическими и климатическими характеристиками.Результатом этих государственных программ стало широкое освоение вСША производства GaAs СВЧ микросхем и широко развитая инфраструктура (вчастности широкое развитие контрактных производств, так называемые фаундри[19], [20]). Таким образом благодаря государственным программам арсенид галлиястал основой коммерческого рынка СВЧ МИС.Несмотря на широкое развитие арсенид-галлиевой технологии, последниерезультаты не в полной мере отвечают современным потребностям военнойрадиоэлектроники и развивающейся беспроводной связи [33].
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
