Как спроектировать развязывающий конденсатор для усилителя мощности

RF-разделительные конденсаторы используются для разделения постоянного и переменного тока в соединении. Это устройство с двумя входами и одним выходом, которое использует реактивные элементы для обеспечения потока мощности в разных направлениях. В предыдущем проекте с макетом усилителя мощности RF в дизайне использовался разделительный конденсатор, который обеспечивал постоянный ток для усилителя, позволяя при этом мощности RF распространяться к выходному SMA-разъему.

В этой статье я расскажу, как спроектировать эту схему и какие важные параметры необходимы для обеспечения высокой мощности передачи в ваш компонент нагрузки. Эти устройства доступны как в виде модулей высокой мощности для дальней трансляции, так и могут быть построены как маленькие схемы на печатной плате для систем RF меньшей мощности.

Что такое разделительный конденсатор?

Байас-ти — это простая схема, использующая индуктор и конденсатор для направления потока мощности переменного и постоянного тока. Простейший тип байас-ти — это устройство с двумя входами; индуктор используется для передачи мощности постоянного тока с одного входного порта, а конденсатор используется для передачи мощности переменного тока на выход. В ранее рассмотренном примере с нашим усилителем мощности РЧ байас-ти использовался для подачи питания на усилитель, одновременно пропуская мощность выходного сигнала РЧ с того же контакта. Ниже показана ранее использованная схема.

Концепция проста; индуктивное сопротивление индуктора блокирует прохождение сигнала переменного тока, в то время как конденсатор блокирует прохождение сигнала постоянного тока к нагрузке в этой системе. Сигнал постоянного тока — это просто мощность, подаваемая на контакт VDD, которая будет питать усилитель, а внутренняя схемотехника усилителя направит входную мощность необходимым образом.

Соотношение сопротивлений в простом байас-ти

Делители напряжения разрабатываются таким образом, чтобы мы стремились достичь определённого соотношения импедансов. Соотношение импедансов в делителе напряжения относится к отношению между импедансом вдоль пути постоянного тока и импедансом, воспринимаемым сигналом по мере его прохождения вдоль выходного пути. Это соотношение импедансов должно быть включено в дизайн делителя напряжения с учётом следующих целей дизайна:

Импеданс, смотрящий в порт постоянного тока, должен быть значительно больше, чем импеданс, смотрящий в выход RF
Эквивалентное падение импеданса через делитель напряжения (измеренное от RFOUT до выходной стороны конденсатора) должно соответствовать импедансу линии передачи LO_OUT

Таким образом, у нас есть два важных определения, которые мы можем использовать для расчёта соотношения импедансов:

Значения в двух вышеуказанных уравнениях являются реактивными сопротивлениями индуктора (L) и конденсатора (C) на рабочей частоте схемы. Типичное значение для соотношения импедансов может варьироваться от n = 1 до n = 1000. Импеданс делителя напряжения Z(tee) будет согласован с импедансом линии передачи, обычно 50 Ом на печатной плате. У нас есть два уравнения и две неизвестные, так что мы можем легко решить эти реактивные сопротивления.

Указанные выше значения являются минимальными значениями, необходимыми для достижения согласования по импедансу. Если мы используем определение емкостного и индуктивного реактивного сопротивления в приведенном выше уравнении, мы получаем следующую связь между целевой рабочей частотой и емкостью:

Эта связь говорит нам о том, что мы можем сдвигать полосу пропускания для смещающего Т-образного соединения, регулируя C для заданного соотношения импедансов, при этом сохраняя постоянным значение индуктивности L. Мы также можем использовать ту же зависимость, но с L в правой части уравнения вместо C.

Например, если бы мы взяли указанные выше значения и увеличили емкость в N раз, рабочая частота, на которой мы ожидаем увидеть максимальную передачу мощности в нагрузку, должна была бы уменьшиться в √N раз, чтобы сохранить то же соотношение импедансов. Это могло бы изменить согласование импеданса на выходе; хотя у нас могут быть некоторые отражения и несогласованность импеданса, смещающее Т-образное соединение сдвигает свою полосу пропускания таким образом, что мощность нагрузки может быть увеличена.

Калькулятор смещающего Т-образного соединения LC

Вы можете использовать приложение-калькулятор ниже, чтобы определить значения L и C для использования в байас-ти. Это требует, чтобы конструктор ввел желаемое соотношение импедансов и целевой импеданс. Указанная здесь частота является ожидаемой частотой, на которой мы видим максимум в полосе пропускания байас-ти.

Фильтрация высших порядков

```Что произойдет, если мы разместим более сложный фильтрующий блок на стороне постоянного тока? Это также возможно с размещением фильтрующей схемы. Показанный выше этап постоянного тока мог бы иметь более сложный фильтрующий этап между входным питающим портом и точкой разветвления на выходной линии РЧ. Например, мы могли бы разместить между входным портом постоянного тока и точкой разветвления двунаправленный фильтр нижних частот высшего порядка.

Это выглядело бы примерно как схема ниже. Здесь я разместил параллельные RL-цепи в качестве фильтрующих элементов, которые по существу ограничивают ток на более высоких частотах, исходящих от источника питания. Если вы посмотрите в интернете, вы найдете другие примеры RLC-цепей, используемых в качестве фильтров нижних частот вдоль соединения постоянного тока.

В этой схеме импеданс индуктора + этапа РЧ-фильтра подобран так, чтобы достичь определенного соотношения импедансов по отношению к 50-омной линии и целевому соотношению импедансов. Также обычно можно увидеть конденсатор, выходящий из клеммы VDD. Почему мы хотели бы принять такой подход к этапу фильтрации? Есть три возможные причины:

• Поскольку это фильтр высшего порядка, он будет иметь более крутой спад на высоких частотах
• Исходя из предыдущего пункта, секция фильтра могла бы фильтровать шум от источника постоянного тока
• Тройник мог бы иметь постоянно высокое соотношение импедансов на более широкой полосе пропускания

В приведенном выше примере используется фильтр высшего порядка на входном порту постоянного тока. Основная проблема здесь заключается в том, что топология блокирующего фильтра может иметь некоторые колебания полосы пропускания в зависимости от частоты, и, как результат, импеданс тройника также может иметь некоторые колебания полосы пропускания. Поэтому важно симулировать работу секции фильтра, что можно сделать в симуляции SPICE.

Пример: Симуляция SPICE с LC тройником смещения

В этом разделе я покажу некоторые результаты симуляции для более простого LC тройника смещения, показанного на схемах выше для нашего проекта модуля усилителя мощности. Как он был изначально разработан, показанный выше тройник смещения будет работать как предполагалось с широкополосной операцией, и согласование импеданса будет почти точно 50 Ом. Однако он не оптимизирован для передачи мощности к нагрузке 50 Ом из-за действия фильтрации тройника смещения из-за высокого соотношения импедансов.

На схеме ниже показана начальная схема, которая будет использоваться для моделирования развязывающего конденсатора.

В этом моделировании мы рассмотрим переменный ток для конденсатора, где нас интересует выходное напряжение, ток на стороне РЧ и мощность, подаваемая на RLOAD. Мы также хотим знать, каково сопротивление при просмотре через вход РЧ. Идеально, если бы оно было как можно ближе к 50 Ом. Начальные результаты переменного тока показаны ниже.

Это начальное моделирование показывает довольно хорошие результаты. Полоса пропускания для этого развязывающего конденсатора очень широка, и согласование импеданса кажется чрезвычайно точным вплоть до рабочей частоты схемы 6,3 ГГц. Хотя целевой импеданс, кажется, достигнут, мы не видим максимальной передачи мощности на нагрузку на желаемой частоте. Это потому, что 6,3 ГГц находится в зоне снижения полосы пропускания.

Предположим теперь, что мы установили соотношение импедансов 1:1 для этой схемы. Это потребовало бы индуктивности 1,2 нГн и конденсатора 0,5 пФ. Результаты с этой обновленной конфигурацией моделирования показаны ниже.

Отсюда мы видим, что полоса пропускания сместилась в сторону более высоких частот, но это не обязательно означает, что через ти-соединение к RLOAD передается больше мощности. Также видно, что импеданс сходится к целевому значению только на гораздо более высокой частоте (около 10 ГГц). Таким образом, мы все еще не достигли идеального дизайна.

Наконец, давайте посмотрим, что произойдет, если мы увеличим параметры до L = 6 нГн и C = 1 пФ (что равно соотношению импедансов 3.14 на частоте около 6.45 ГГц). В этом случае мы получаем гораздо лучшее согласование с целевым импедансом, хотя мощность, передаваемая на нагрузку, несколько ниже. Хотя полоса пропускания сместилась гораздо выше, импеданс, на который нацелена эта схема на частоте 6.45 ГГц, составляет около 77.4 Ом, что может объяснить более низкую передачу мощности в этой схеме.

Варьирование параметров может помочь определить лучшее соотношение между L и C в некотором диапазоне. Другой симуляцией, которую мы могли бы выполнить, является симуляция переходных процессов. Это покажет нам, что происходит с ти-соединением, когда схема впервые достигает своей рабочей мощности. Попробуйте сделать это самостоятельно, так как это довольно просто, и это должно проиллюстрировать потенциальные подводные камни использования фильтрации высших порядков на стороне постоянного тока схемы.

Есть ли что-то не так с этой картинкой? Как оказалось, да! В частности, есть два момента, которые не учтены в этой симуляции:

1. На частотах в гигагерцовом диапазоне, где будет работать эта система, у конденсатора и индуктора могут быть некоторые паразитные параметры (ESR/ESL у конденсатора и EPC у индуктора)
2. Разделительное устройство поддерживает распространение волн, поэтому соединения между компонентами на самом деле являются линиями передачи.

Исходя из пункта №2 и того факта, что выход с усилителя может быть внутренне завершен на 50 Ом, импеданс разделительного устройства иногда устанавливается очень низким. Это может быть приемлемо, если устройство расположено очень близко к выходному контакту на усилителе мощности. Однако гораздо предпочтительнее использовать согласование импеданса на протяжении всего соединения, чтобы попытаться максимизировать передачу мощности в нагрузку.

Симуляции SPICE не очень хорошо подходят для моделирования распространения по линиям передачи между компонентами и за пределами смещенного Т-образного соединителя. Поэтому в приведенной выше симуляции SPICE используется нагрузка 50 Ом для представления входного импеданса, смотрящего в нагрузку в нашем примере модуля усилителя мощности. Если у нас есть ситуация, когда нагрузка расположена близко к выходу смещенного Т-образного соединителя, тогда мы определенно можем воспользоваться подходом к схеме, который идеализирован в примере симуляции SPICE, показанном здесь.

После выбора компонентов для вашего смещенного Т-образного соединителя, убедитесь, что вы используете полный набор инструментов для проектирования печатных плат в Altium Designer® для разработки вашей платы. Altium Designer - это ведущая в отрасли CAD-платформа, которая также включает в себя простой в использовании симулятор SPICE в редакторе схем. Когда вы закончите свой проект, и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.