Устойчивость усилителя на высоких частотах и паразитная емкость

Усилители являются одним из тех критически важных компонентов, которые делают современную жизнь возможной. От беспроводной связи до силовой электроники, усилители должны работать стабильно и предсказуемо, чтобы эти продукты функционировали должным образом. Анализ стабильности - одна из моих любимых тем в физике и инженерии, и он всегда появляется там, где вы меньше всего ожидаете. Одним из таких мест являются усилители.

Любая временно зависимая физическая система с обратной связью и усилением имеет условия, при которых система достигнет стабильного поведения. Стабильность усилителя расширяет эти концепции на усилители, где выход системы может увеличиваться до нежелательного насыщенного состояния из-за непреднамеренной обратной связи. Если вы используете правильные инструменты проектирования и моделирования, вы можете легко учесть потенциальную нестабильность в моделях ваших схем, прежде чем создавать их компоновку.

Как паразитная емкость влияет на стабильность РЧ усилителей

Источником нестабильности в схемах усилителей, а также между входными и выходными портами микросхемы усилителя, является паразитная емкость. Эта паразитная емкость существует между дорожками, соединяющими усилитель. Паразитная емкость критически важна для установления импеданса длинных дорожек (т.е. линий передачи) на определенное значение. Однако паразитная емкость также обеспечивает непреднамеренный путь для обратной связи между выходными и входными портами.

Поскольку этот обратный путь является емкостным, его импеданс ниже, когда частота входного/выходного сигнала выше. В наши дни это обычно решается на уровне чипа, но вклад от дорожек и площадок печатной платы становится более значимым, поскольку все больше усилителей РЧ работают на все более высоких частотах. Даже несколько пФ паразитной емкости достаточно, чтобы вызвать нестабильность усилителя во время работы.

На уровне платы паразитная емкость на входе ограничивает полосу пропускания, где полоса пропускания уменьшается на коэффициент (1 + Усиление). Решение заключается в том, чтобы спроектировать дорожки и площадки на портах усилителя так, чтобы минимизировать паразитную емкость, или добавить некоторую компенсирующую емкость в обратную петлю. В высокочастотном диапазоне ГГц (например, частоты миллиметрового диапазона) расстояние между компонентами больше критической длины, поэтому вам придется использовать маршрутизацию с контролируемым импедансом. Интеграция некоторых компонентов в SoC помогает устранить эту проблему, но многие РЧ усилители для будущих устройств все еще упаковываются как отдельные компоненты. Отличным примером являются новые усилители мощности для приложений миллиметрового диапазона.

Типичный способ оценки стабильности усилителя заключается в использовании оценочной платы производителя и прямом измерении любого переходного поведения. Другой вариант - определить паразитную емкость на входных и выходных трассах, подключенных к усилителю, и включить их в симуляцию. Эти симуляции также позволяют вам экспериментировать с компенсирующим конденсатором в контуре обратной связи усилителя, чтобы противодействовать паразитной емкости.

Как учесть паразитную емкость в симуляции

Ваша схема - это всего лишь 2D-чертеж идеальной цепи. Она не содержит никаких паразитных емкостных элементов в вашей системе и не отражает реальное поведение печатной платы (PCB) точно. Тем не менее, правильные инструменты проектирования позволят легко включить паразитные элементы в вашу PCB. Будь то попытка симулировать собственные резонансы в пассивных компонентах, или желание симулировать паразитную емкость в других частях вашей системы, вам нужно будет добавить конденсаторы на вашу схему в стратегически важных местах.

Чтобы смоделировать паразитную емкость на входе усилителя, просто добавьте конденсаторы подходящего размера и источник переменного тока к входу вашего усилителя. Конденсаторы устанавливаются как шунтирующие элементы (т.е., подключаются к общему заземлению) на входе и выходе усилителя. Вам также потребуется использовать проверенную модель компонента для вашего усилителя, чтобы понять поведение усилителя при наличии паразитной емкости. Шунтирующие емкостные элементы будут моделировать связь между землей и входными/выходными дорожками на вашей плате.

Затем вы можете выполнить два типа симуляций: транзиентный анализ и анализ нулей и полюсов.

Ожидаемые результаты транзиентного анализа

С помощью транзиентного анализа вы можете увидеть, становится ли сигнал нестабильным и увеличивается до насыщения со временем, когда усилитель работает. Ниже приведен график с примерами результатов для 100 ГГц сигнала с сильной нестабильностью из-за большой паразитной емкости. Здесь транзиентное напряжение на выходе достигает насыщения в 2 В из-за непреднамеренной сильной обратной связи и высокого уровня входного сигнала.

Обратите внимание, что в приведенном выше примере обратной связи потери не учитывались, и известно, что потери в подложке могут привести к стабилизации иначе нестабильного устройства, поскольку это компенсирует усиление в непреднамеренной петле обратной связи.

Ожидаемые результаты анализа полюсов и нулей

В результате анализа полюсов и нулей вы ожидаете увидеть два полюса в выходных данных симуляции. Один будет стабильным полюсом, представляющим стабильную петлю обратной связи. Собственное значение для этого полюса будет иметь отрицательную действительную часть. Если схема нестабильна, должен появиться другой полюс как второе собственное значение с положительной действительной частью; это соответствует нестабильной нарастающей осцилляции из-за обратной связи через паразитную емкость. Вы можете увидеть некоторые примеры результатов анализа полюсов и нулей на этой странице.

Существует другой тип стабильности, соответствующий затухающей стабильной осцилляции, также известной как предельный цикл. Этот затухающий переходной процесс может привести к стабильному осциллирующему поведению, аналогичному тому, что наблюдается в усилителях, используемых в конфигурации дифференциатора без последовательного резистора на входе. Вы можете идентифицировать это поведение по результатам анализа полюсов и нулей, сравнив постоянную затухания (действительную часть собственного значения) с частотой переходной осцилляции.

Продвинутые функции проектирования и симуляции печатных плат в Altium Designer® позволяют выполнять различные аналоговые симуляции для вашей следующей РЧ системы и усилительной схемы. У вас будет ряд инструментов для оценки стабильности усилителя в рамках проектирования и анализа схемы. Как только вы будете готовы планировать вашу компоновку, у вас будет набор инструментов для захвата вашей схемы и начала создания высококачественных компоновок.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для компоновки, симуляции и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.