Введение
малошумящий усилитель конвертор транзистор
Малошумящий усилитель. Применяется для уменьшения шума и повышения чувствительности конвертора. Выбор необходимого типа МШУ (наряду с шумовыми характеристиками) определяется следующими параметрами: полосой пропускания, стабильностью в работе уровнем насыщения, потреблением энергии, а также стоимостью, габаритными размерами, массой. Основные требования к МШУ следующие:
1) ширина полосы пропускания должна быть не менее заданной (800 МГц);
2) коэффициент усиления должен быть достаточным для эффективного уменьшения влияния шумов усилительно-преобразовательных устройств, следующих за ним (обычно составляет 25...35 дБ);
3) коэффициент шума (шумовая температура) должен быть к можно меньше (0,7-1,0 дБ);
4) уровень насыщения должен быть достаточно высоким, в противном случае могут возникнуть нелинейные искажения;
5) амплитудно-частотная характеристика должна обладать зад;
ной неравномерностью (обычно ±2 дБ), а фазочастотная - линейной
Шумовые характеристики СВЧ-устройств описываются в терминах либо шумовой температуры, либо коэффициентом шума
Наиболее широкое применение в конверторах систем НТВ получили МШУ, собранные на арсенид-галиевых полевых транзисторах. Такие усилители, выполненные на базе ГИС-технологии, можно представить в виде диэлектрической платы, на которой нанесён рисунок пассивной схемы и припаяны или приварены навесные элементы.
Входные и выходные согласующие цепи первого транзистора рассчитываются на минимальный коэффициент шума, а второй и последующие каскады - на максимальный коэффициент усиления.
Все каскады МШУ строятся как правило на несимметричных полосковых линиях передачи, которые выполняются методом напыления проводящих материалов на керамическую плату (подложку).
В СВЧ-диапазоне паразитные реактивные элементы корпуса транзистора оказывают заметное влияние на характеристику МШУ. Чтобы исключить этот эффект, транзисторы используют в виде отдельных кристаллов (чипов), которые привариваются к нужным точкам схемы с помощью тонкой золотой проволоки диаметром 15...20 мкм.
Применение активных элементов в корпусном исполнении, хотя и несколько ухудшает параметры МШУ, существенно упрощает процесс сборки, позволяет отказаться от жёсткой герметизации блока, исключить технологически сложные и дорогостоящие процессы золочения, а также заменить подложки из твёрдых диэлектриков типа поликора или кварца на мягкие фольгированные материалы типа тефлона или дюроида.
В СВЧ-диапазоне чаще всего в конверторе применяют схему включения на арсенод-галиевых малошумящих полевых транзисторах с общим истоком, обеспечивающую значительные коэффициенты усиления по напряжению и току при сохранении хороших вентильных свойств. В схемах МШУ не применяют цепей автосмещения, так как это позволяет на 0,2...0,3 дБ снизить коэффициент шума МШУ.
Входной МШУ обычно состоит из трех каскадом, собранных на полевых СВЧ-транзисторах. При реализации МШУ надо удовлетворить ряду противоречивых требований: обеспечить минимум коэффициента шума, согласование усилителя по входу, максимальный коэффициент усиления. Для трехкаскадного МШУ коэффициент шума определяется следующим соотношением: F = F1 + (F2 - 1) / k + (F3 - 1) / k1k2, где F, F1, F2,F3 —коэффициенты шума (в относительных единицах) всего усилителя, первого, второго и третьего каскадов соответственно; k1, k2—коэффициенты усиления (и относительных единицах) первого и второго каскадов.
В соответствии с приведенным соотношением можно заключить, что первый каскад МШУ надо настраивать по критерию получения минимального коэффициента шума. Второй каскад настраивается из компромиссных соображений с точки зрения обеспечения максимума усиления и минимума коэффициента шума. Влияние коэффициента шума третьего каскада практически неощутимо. Можно заключить, что первые два транзистора МШУ должны обладать особо малым шумом. Такими свойствами обладают полевые СВЧ-траизисторы, выполненные на гетероэпитаксиальных слоях сложных полупроводниковых соединений. В них подвижность электронов намного выше, чем в обычных транзисторах. Соответственно их называют транзисторы с высокой подвижностью электронов (ВПЭ). В английской терминологии их называют НЕМТ (High electonic mobility transistor). Например, американская фирма «Дженерал Электрик» создала НЕМТ на трехслойными структуре п+ AIGaAs/n-GalnAs/GaAs, полученной молекулярно-лучевой эпитаксией, Транзистор имеет коэффициент шума 3 дБ, коэффициент усиления 5 дБ на частоте 94 ГГц. На частоте 18 ГГц такой транзистор имеет коэффициент шума 0,6 дБ и коэффициент усиления 18 дБ. Это, конечно, рекордный результат, но многие фирмы США, Японии, ФРГ, КНР (по японской лицензии) крупными партиями выпускают НЕМТ с коэффициентами шума 0,8... 1,2 дБ на частотах 12... 18 ГГц. Эти транзисторы спрессовываются пластмассой либо помещаются в герметичные керамические корпуса, поэтому их можно использовать даже в негерметичной аппаратуре. Итак. классический МШУ, который выпускает любая зарубежная фирма, состоит из двух НЕМТ и одного обычного полевого СВЧ-транзистора. Коэффициент шума такого МШУ совершенно однозначно определяется шумовыми свойствами НЕМТ. Например, транзистор типа 8900 фирмы «Хитачи» имеет: коэффициент шума 0.8 дБ; коэффициент усиления 11 дБ; при напряжении исток—сток 5 и смещении на затворе 3,5 В.
Как известно, в коэффициент шума МШУ аддитивно добавляются потери во входной согласующей цепи, волиоводно-полосковом переходе и потери в цепях автосмещения, если оно используется. Раздельное питание на сток и затвор позволяет выиграть 0,15...0,3 дБ в коэффициенте шума конвертора, поэтому в редких случаях в МШУ применяют автосмещение. В МШУ с полосой рабочих частот менее 15% (а в конверторах она не превышает 10%) при двухполярном питании практически всегда удается получить коэффициент шума усилителя на волноводном фланце лишь на 0,15...0,25 дБ больше, чем коэффициент шума входного транзистора. В редких случаях в конверторах применяют охлаждение входного транзистора с помощью миниатюрного термоэлектрического элемента, при этом охлаждение на 50° С снижает коэффициент шума примерно на 20%.
Наибольшее распространение в МШУ получила схема с общим истоком, так как она обладает лучшей устойчивостью по сравнению с другими способами включения полевых транзисторов. Успех реализации усилительного каскада МШУ зависит от качества проектирования согласующих цепей (СЦ). В сантиметровом диапазоне СП выполняются обычно из отрезков микрополосковых линий и печатных катушек индуктивности. Для обеспечения безусловной устойчивости выходные СЦ обычно выполняют в индс ФНЧ, включающих диссипативные элементы (тонкопленочные резисторы). Разработаны эффективные методы синтеза оптимальных СЦ одно- и многокаскадных МШУ на полевых транзисторах.
Анализ устойчивости МШУ производится по тем же методикам, что и для УВЧ-тюнеров, и поэтому не рассматривается.
Опыт разработки авторами МШУ на полевых транзисторах показал, что чисто аналитическими средствами трудно спроектировать усилитель, который будет воспроизводим в серийном производстве, а его параметры будут близки к теоретически оптимальным. К МШУ наиболее подходит популярная у разработчиков, СВЧ-узлов поговорка: «Устройство должно работать не в принципе, а в корпусе». Поэтому и начнем с корпуса. МШУ должен размещаться в отдельном отсеке конвертора либо лучше в автономном миниатюрном корпусе, в котором он заранее монтируется и настраивается, а уж затем устанавливается в конвертор. Отсек для МШУ либо внутренний объем автономного корпуса должны представлять собой запредельный волновод. Надо учитывать, что часть этого волновода заполнена поликором иным диэлектриком, поэтому его сечение будет меньше, чем у полого запредельного волновода. По опыту авторов можно рекомендовать ширину отсека делать менее 10 мм, а его высоту — менее 8 мм. Известны конструкции зарубежных конверторов, где МШУ экранируется П- или С- образным экраном из фольги. Поскольку истоки полевых транзисторов должны иметь эффективное заземление, то для этого либо сверлят диэлектрические подложки, либо размещают транзисторы между двух диэлектрических подложек.