Stabilność wzmacniacza przy wysokich częstotliwościach i pojemność pasożytnicza

Wzmacniacze to jeden z tych kluczowych komponentów, które umożliwiają współczesne życie. Od komunikacji bezprzewodowej po elektronikę mocy, wzmacniacze muszą działać stabilnie i przewidywalnie, aby te produkty mogły prawidłowo funkcjonować. Analiza stabilności to jeden z moich ulubionych tematów w fizyce i inżynierii, i zawsze wydaje się pojawiać w miejscach, których byśmy się najmniej spodziewali. Jednym z tych miejsc są wzmacniacze.

Każdy system fizyczny zależny od czasu, posiadający sprzężenie zwrotne i wzmocnienie, ma warunki, w których system osiągnie stabilne zachowanie. Stabilność wzmacniaczy rozszerza te koncepcje na wzmacniacze, gdzie wyjście systemu może wzrosnąć do niepożądanego stanu nasycenia z powodu niezamierzonego sprzężenia zwrotnego. Jeśli użyjesz odpowiednich narzędzi do projektowania i symulacji, możesz łatwo uwzględnić potencjalną niestabilność w modelach swoich obwodów, zanim stworzysz swój układ.

Jak pojemność pasożytnicza wpływa na stabilność wzmacniaczy RF

Źródłem niestabilności w obwodach wzmacniaczy, a także między portami wejściowymi i wyjściowymi układu scalonego wzmacniacza, jest pojemność pasożytnicza. Ta pojemność pasożytnicza istnieje między ścieżkami łączącymi wzmacniacz. Pojemność pasożytnicza jest kluczowa dla ustalenia impedancji długich ścieżek (tj. linii transmisyjnych) na określoną wartość. Jednak pojemność pasożytnicza zapewnia również niezamierzoną ścieżkę dla sprzężenia zwrotnego między portami wyjściowymi i wejściowymi.

Ponieważ ta ścieżka sprzężenia zwrotnego jest pojemnościowa, jej impedancja jest niższa, gdy częstotliwość sygnału wejściowego/wyjściowego jest wyższa. W dzisiejszych czasach problem ten jest zwykle rozwiązywany na poziomie chipa, ale wkład ścieżek i padów PCB staje się coraz ważniejszy, ponieważ coraz więcej wzmacniaczy RF pracuje na coraz wyższych częstotliwościach. Nawet kilka pF pojemności pasożytniczej wystarczy, aby wzmacniacz stał się niestabilny podczas działania.

Na poziomie płytki, pasożytnicza pojemność na wejściu ma efekt ograniczania pasma, gdzie pasmo jest redukowane o czynnik (1 + Wzmocnienie). Rozwiązaniem jest projektowanie ścieżek i padów przy portach wzmacniacza tak, aby miały minimalną pojemność pasożytniczą, lub dodanie pewnej kompensującej pojemności do pętli sprzężenia zwrotnego. W wysokim zakresie GHz (np. częstotliwości mmWave), odległość między komponentami jest większa niż krytyczna długość, więc musiałbyś użyć trasowania z kontrolowaną impedancją. Integracja niektórych komponentów do SoC pomaga wyeliminować ten problem, ale wiele wzmacniaczy RF dla nadchodzących urządzeń jest nadal pakowanych jako indywidualne komponenty. Doskonałym przykładem są nowsze wzmacniacze mocy do aplikacji mmWave.

Typycznym sposobem oceny stabilności wzmacniacza jest użycie płytki ewaluacyjnej producenta i bezpośredni pomiar wszelkiego zachowania przejściowego. Inną opcją jest określenie pojemności pasożytniczej na ścieżkach wejściowych i wyjściowych podłączonych do wzmacniacza oraz uwzględnienie ich w symulacji. Te symulacje pozwalają również eksperymentować z kondensatorem kompensacyjnym w pętli sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, aby przeciwdziałać pojemności pasożytniczej.

Jak uwzględnić pojemność pasożytniczą w symulacji

Twój schemat to tylko dwuwymiarowy rysunek idealnego obwodu. Nie zawiera żadnych elementów pojemnościowych gdziekolwiek w twoim systemie i nie odzwierciedla dokładnie rzeczywistego zachowania PCB. Mimo to, odpowiednie narzędzia projektowe ułatwią uwzględnienie elementów pasożytniczych w twojej PCB. Niezależnie od tego, czy próbujesz symulować rezonanse własne w elementach pasywnych, czy chcesz symulować pojemność pasożytniczą w innych częściach twojego systemu, będziesz musiał dodać kondensatory do swojego schematu w strategicznych miejscach.

Aby symulować pojemność pasożytniczą na wejściu wzmacniacza, wystarczy dodać kondensatory o odpowiedniej wielkości oraz źródło prądu przemiennego do wejścia wzmacniacza. Kondensatory umieszcza się jako elementy równoległe (tj. połączone z wspólnym połączeniem do ziemi) na wejściu i wyjściu wzmacniacza. Będziesz również potrzebować zweryfikowanego modelu komponentu dla twojego wzmacniacza, aby zrozumieć zachowanie wzmacniacza w obecności pojemności pasożytniczej. Elementy pojemnościowe równoległe będą modelować sprzężenie między ziemią a ścieżkami wejściowymi/wyjściowymi na twojej płytce.

Możesz następnie przeprowadzić dwa rodzaje symulacji: analizę przejściową oraz panalizę biegunów i zer.

Oczekiwane wyniki analizy przejściowej

Przy użyciu analizy przejściowej możesz zobaczyć, czy sygnał staje się niestabilny i rośnie do nasycenia w czasie, gdy wzmacniacz pracuje. Poniższy wykres pokazuje przykładowe wyniki dla sygnału 100 GHz z silną niestabilnością spowodowaną dużą pojemnością pasożytniczą. Tutaj, napięcie przejściowe na wyjściu osiąga wartość nasycenia 2 V z powodu niezamierzonego silnego sprzężenia zwrotnego i wysokiego poziomu sygnału wejściowego.

Należy zauważyć, że w powyższym przykładzie sprzężenia zwrotnego nie uwzględniono strat, a wiadomo, że strata w podłożu może spowodować, że inaczej niestabilne urządzenie stanie się stabilne, ponieważ kompensuje to wzrost w niezamierzonym pętli sprzężenia zwrotnego.

Oczekiwane wyniki analizy biegunów i zer

W wynikach analizy biegunów i zer spodziewałbyś się zobaczyć dwa bieguny w wyjściach symulacji. Jeden byłby stabilnym biegunem, reprezentującym stabilną pętlę sprzężenia zwrotnego. Wartość własna dla tego bieguna miałaby ujemną część rzeczywistą. Jeśli obwód jest niestabilny, powinien pojawić się kolejny biegun jako druga wartość własna z dodatnią częścią rzeczywistą; odpowiada to niestabilnej rosnącej oscylacji spowodowanej sprzężeniem zwrotnym przez pojemność pasożytniczą. Możesz zobaczyć przykładowe wyniki analizy biegunów i zer na tej stronie.

Istnieje inny typ stabilności odpowiadający tłumionej stabilnej oscylacji, znanej również jako cykl graniczny. Ta zanikająca przejściowa może skutkować stabilnym zachowaniem oscylacyjnym, podobnym do tego, co obserwuje się w wzmacniaczach używanych w konfiguracji różniczkującej bez rezystora szeregowego na wejściu. Możesz zidentyfikować to zachowanie z wyników analizy biegunów i zer, porównując stałą tłumienia (część rzeczywistą wartości własnej) z częstotliwością oscylacji przejściowej.

Zaawansowane funkcje projektowania i symulacji PCB w Altium Designer® pozwalają na przeprowadzenie różnorodnych symulacji analogowych dla Twojego kolejnego systemu RF oraz obwodu wzmacniacza. Będziesz miał do dyspozycji szereg narzędzi do oceny stabilności wzmacniacza jako części projektowania i analizy obwodów. Gdy będziesz gotowy do planowania układu, będziesz miał zestaw narzędzi do przechwycenia schematu i rozpoczęcia tworzenia wysokiej jakości układów.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.