В прошлом месяце я писала про тестовые платы, потом про проектирование СВЧ модуля и про лейауты EVB от производителей (что особенно актуально для усилителей).
Basics
В этом разделе постараюсь объяснить причину своего особого внимания к схемам питания, а также особенности питания усилителей от питания/ управления других СВЧ микросхем.
Дисклеймер: я пишу про усилители от ~1 ГГц
Итак, обычно усилители на блок-схемах обозначают в виде треугольника, сверху показывают линию и скромно пишут V (U).
В реальности всё сложнее. Нельзя просто взять и подать туда вольты.
Лабораторные источники питания имеют наводки 50 Гц + внутренние процессы также сказываются на спектре выходного сигнала + при включении возникает переходный процесс (да-да, даже топовые источники от Роде Шварц и Кесайт имеют немнооого паразитных составляющих). А уж если говорить про бортовую систему питания...
То есть надо защитить усилитель от ВЧ составляющих, которые проникают от источника питания.
С другой стороны (в прямом смысле) необходимо не допустить просачивания гармонического сигнала в источник питания.
Случай 1. Простой
Теперь примеры. Очевидно, что для фильтрации ВЧ составляющих в схеме питания усилителя необходим фильтр. Обычно он реализуется с помощью сосредоточенных индуктивностей и конденсаторов.
На картинке видно, что справа от микросхемы усилителя (в центре) реализована схема подачи питания, состоящая из индуктивности, двух конденсаторов на землю и танталового конденсатора.
В этом примере питание подаётся прямо на микрополосок, в таком случае необходимо поставить разделительные конденсаторы, чтобы постоянный ток не смешался с основным гармоническим сигналом.
Случай 2. Сложный.
Всё становится сложнее, когда усилитель должен работать в импульсном режиме. Импульсный режим реализуется тремя способами:
-
сигнал уже приходит на вход усилителя в виде радиоимпульсов. Напоминаю,что такое радиоимпульс:
Рис.3 гармонический сигнал, последовательность видеоимпульсов, последовательность радиоимпульсов (картинка из интернета) 
Рис.4 Усилитель с постоянным питанием и импульсным входом -
на вход усилителя приходит CW сигнал, а питание подаётся импульсно. Иногда такой режим работы усилителя называют ключевым.
Рис.5 усилитель с модулированным питанием -
комбинация
Рис.6 усилитель с синхронизацией питания со входными импульсами
Реализация
Как я писала выше, обычно схемы фильтрации реализуются с помощью сосредоточенных элементов. Но каких?
Еще несколько схем примеров:
Итак, при выборе конкретных компонентов стоит учитывать максимальный ток и напряжение, ширину рабочей полосы частот усилителя, а также место подачи питания (на отдельную лапки/площадку или на микрополосок).
Немного про характеристики компонентов в частной области. Казалось бы, АЧХ параллельно включенного конденсатора должно выглядеть как-то так:
На самом деле конденсатор 1-не идеальный, 2-стоит на полоске конечной толщины, кроме того, 3-контакт с землёй осуществлён через VIA, которые имеют паразитную индуктивность.
Положение минимума на графике 11 определяется ёмкостью конденсатора.
Кроме того, конденсаторы разных производителей одного номинала будут иметь разные АЧХ , также влияет ширина полоска.
Например, если разработчик хочет перекрыть полосу до ~2,4 ГГц, ему стоит поставить друг за другом три конденсатора 10 пФ, 200 пФ, 0,1мкФ.
Ниже макет усилителя с платами, где подбор элементов цепи питания осуществлялся "в реальном времени".
Ещё есть такие компоненты, как SMD Bias Tee. Они ставятся на полосок и имеют в себе фильтрующие элементы. Например MiniCircuits их иногда используют для усилителей.
Тестирование
Как внимательные читатели возможно заметили, я всё тестирую. При разработке тестовых плат (цепи с которых потом будут скопированы в итоговое изделие) я обычно делаю вот такие дополнительные платы с элементами цепей подачи питания.
А вот плата для проверки характеристик Bias Tee от MiniCiruits.
Обычно производители микросхем усилителей дают рекомендации по компонентам в схеме питания.Однако, иногда это стандартный набор, который может быть не очень подходит для конкретного случая. Также стандартные рекомендации не подходят, если необходимо подавать импульсное питание.
Примеры
По последнему примеру необходимо небольшое пояснение: для кристаллов обычно используют плоскопараллельные конденсаторы. Выглядят они вот так:
Спасибо за внимание!
Приглашаю в мой Инстаграм и почитать мои прошлые статьи.
Комментарии (44)
ptica_filin
30.08.2021 08:41+2Снова отличная статья, спасибо!
По рисунку 8 всё-таки нужно уточнить.
Там функцию индуктивностей выполняют микрополоски длиной в четверть волны с волновым сопротивлением больше 50 Ом (например, 80). Пропускают постоянный ток, а СВЧ-сигнал не пропускают. Без них ёмкости будут шунтировать сигнал на землю, и каскад будет работать гораздо хуже.
Ещё можно добавить о том, зачем нужен резистор в затворе, но это уже не совсем простые вещи)
Leka_engineer Автор
30.08.2021 10:31по рис 8 конечно. я решила что это слишком сложно пока что. и так длинная получилась статья. бывают же ещё случаи, когда необходимо соединить какие-то площадки через полосок определённой длины, например для улучшения стабильности. тонкостей еще много. как и резистор в затворе.
DenisHW
30.08.2021 10:34А почему важно волновое сопротивление больше 50 Ом? Спасибо.
Leka_engineer Автор
30.08.2021 10:41образуется неравномерный тройник. и сигнал распределяется пропорционально волновым сопротивлениям выходов.
если просто - вот идёт сигнал: направо узкая линия (с волновым сопротивлением больше 50 Ом) - он не захочет туда идти, а налево с сопротивлением 50 Ом - туда пойдёт бОльшая часть сигнала.
DenisHW
30.08.2021 10:58Не не, погодите. Вот эта четверть волновая линия, нагруженная на большую емкость питания, видна как большая индуктивность с точки зрения рф тракта, так как четверть волновая работает как трансформатор сопротивления. Z=Zw^2/Z2=Zw^2*j*w*C. То есть сигнал и так не пойдет в эту линию.
ptica_filin
30.08.2021 12:37+1Это сработает только на одной частоте, где четверть волны. Но усилитель обычно работает в диапазоне, и по краям диапазона немного будет просачиваться. Поэтому нужно увеличить волновое сопротивление линии питания, чтобы просачивалось меньше. Так расширяется рабочая полоса частот.
DenisHW
30.08.2021 22:18Спасибо. Но как-то физически не очевидно. Надо найти, как добротность линии зависит от волнового сопротивления. Возможно, просто дело в омических потерях, чем тоньше линия тем больше сопротивление потерь, меньше добротность, шире полоса. Q=beta / (2*alpha)=w*C/r. Beta -> коэф фазы, alpha - погонное затухание.
ptica_filin
31.08.2021 13:09+1Нет, именно с омическими потерями иногда приходится даже бороться. Если ток стока несколько ампер, а проводник слишком узкий, то он перегреется и сгорит. Поэтому сверху на него напаивают проволочку, чтобы увеличить сечение.
Leka_engineer Автор
31.08.2021 21:01+1Коллеги вы правы. Я поняла про что вы. Конечно тройник имеет место быть, но про четверти вы нарисовала такие схемки.
DenisHW
31.08.2021 22:52Да, спасибо. Кстати иногда эту четверть волновую линию делают все-таки и потолще, для подавления второй гармоники в широком диапазоне, для нее линия уже полуволновая.
sav1812
30.08.2021 08:47-1"подачи питания на полосок"
Я что-то пропустил и в русском языке появилось слово "полосок" мужского рода??..
AndriAnoBoTS
30.08.2021 08:55Да, есть разновидность линии передачи СВЧ сигнала "микро-полосОк"
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D1%8F
juramehanik
30.08.2021 11:22Спасибо за статью, свч черная магия становится все менее черной =)).
Возник вопрос по вашим тестовым платам, да я знаю что маска это враг свч, но в ваших тестовых платах она отсутствует даже на падах капов питания(я так понимаю вся плата без маски что дешевле или еще что то такое), а при ручной пайке без ограничивающей пад маски припой растекается вокруг компонентов, а соответственно поддержания постоянного значения импеданса выводов невозможно от устройства к устройству,а потому кажется что на тестовой плате из за этого характеристики могут отличатся от серийного изделия, или в данном случае (или на данных частотах?) припой не сильно на это влияет?Leka_engineer Автор
30.08.2021 11:43спасибо. псс, у меня есть еще статьи))))
быстрее на 2 дня без маски
на характеристики особо не влияет в моих случаях. и мой монтажник - просто чудо )))) делает супер аккуратно
ToSHiC
31.08.2021 02:29Вот так думаешь, что начинаешь что-то понимать, а потом тебе попадается подобное видео:
https://www.youtube.com/watch?v=qO127zY3voELeka_engineer Автор
31.08.2021 08:36видала такое) всегда интересно поразглядывать.
однако замечу, что СВЧ не ограничивается мобильной связью ))
quaer
30.08.2021 16:32Почему часть конденсаторов Feed-Thru, часть обычная?
Ниже макет усилителя с платами, где подбор элементов цепи питания осуществлялся "в реальном времени".
Как именно происходит подбор? Что именно подбирается, как оценивается?
Также стандартные рекомендации не подходят, если необходимо подавать импульсное питание.
Как делается в этом случае?
Leka_engineer Автор
30.08.2021 17:12Посмотрите на рис. 14 - справа от SMА разъёма видны два "штырька" , один из них GND turret, а второй вот такой feed thru capacitor. Это фактически гермовводы, только они ещё и конденсаторы
Как именно происходит подбор? Что именно подбирается, как оценивается?
об этом и есть статья. нужно подобрать номиналы конденсаторов,чтобы перекрыть нужную полосу частот. как видите, на этом макете питание подаётся через разъём SMA, так что можно с этой стороны подключить векторный анализатор цепей и оценивать коэф. передачи
Как делается в этом случае?
я писала об этом. находится баланс между необходимой фильтрацией, чтобы при этом не затянуть фронты импульсов питания
quaer
30.08.2021 17:22-2Зачем подбирать номиналы конденсаторов? Нельзя посмотреть их параметры? Посчитать? Промоделировать?
Обычно пишутся требуемые параметры, показывается методика их достижения. Тут что-то не видно такого, куски схем и фотки. Почему они именно такие, за что боролись на конкретной схеме, как решили задачу - мало понятно.
KstnRF
31.08.2021 08:21-2Тоже не понятно назначение статьи.
Следил за публикациями автора. Первые очень интересны, а потом что-то очень быстро перетекли в публикации с описательным наполнением. А с "разжёвательным" (почему, отчего так, для чего) - всё меньше и меньше. Может, не верно истолковал назначение Хабра...
Про отдельное тестирование СВЧ-фильтров плюс - полезная штука, тоже использую в ответственных проектах. Но
"Обычно производители микросхем усилителей дают рекомендации по компонентам в схеме питания.Однако, иногда это стандартный набор, который может быть не очень подходит для конкретного случая. Также стандартные рекомендации не подходят, если необходимо подавать импульсное питание."
А что в таком случае делать?
Практически нет описания фильтрации на элементах с распределёнными параметрами, которые используются не только на уровне печатных плат, но и кристаллов (внутри кристаллов). Если есть такая практика, то было бы весьма интересно услышать и про такую фильтрацию.
Особенно интересно бывает запитывание параллельных каскадов в мощных усилителях. Да и в однослойных (редкость, конечно) платах, загнанные в рамки ТЗ разработчики, изощряются.
Я к тому, что человек, варящийся в этом, поймёт о чём речь, а для того, кто только входит - думаю будет тяжко."10 пФ, 200 пФ, 0,1мкФ "
Отдельно стоило бы указать важность последовательности соединений конденсаторов различного номинала для питания в СВЧ диапазоне.
Nordicx8630.08.2021 в 06:53
"Просто отличный материал, с понятным объяснением - что, зачем и почему - собирайте книгу по Вот таким тонкостям прикладного СВЧ!"
Как раз-таки тонкостей здесь и не увидел :(Leka_engineer Автор
31.08.2021 08:34спасибо за ваш интерес к моим публикациям.
первые были очень простые, дальше пошло как раз самое "горяченькое". и да, СВЧ -оно такое. нельзя подсмотреть пару примеров и идти делать СВЧ-модули.
согласна, нет фильтрации с распр элементами, но они очень редко используются для усилителей (настолько, что я не встречала, только для улучшения стабильности, уменьшения обратной связи и тп, но это другая история). именно поэтому они не вошли в данную статью. она и так получилась довольно длинной.
А что в таком случае делать?
в статье про это написано. вам непонятны слова найти баланс между одним и другим?
+тут была заложена мысль, что не всегда стоит принимать рекомендации даташита как единственно возможный вариант "обвязки"
Я к тому, что человек, варящийся в этом, поймёт о чём речь, а для того, кто только входит - думаю будет тяжко.
возможно.
у меня нет цели сделать basics. я пишу то, о чём мне интересно. я понимаю,что сужаю круг возможных читателей, но очень надеюсь, что у тех, кто только входит, что-то отложится и возможно, когда-нибудь, они вспомнят мою статью.
Как раз-таки тонкостей здесь и не увидел :(
вы сами себе противоречите ...
quaer
31.08.2021 12:31-1Надо создать схему питания. Гуглим, находим эту статью. Читаем.
Например, надо посчитать схему, требующую такие-то параметры питания. Как следуя этой статье это сделать? Найти подходящую фотку из неё?
Leka_engineer Автор
31.08.2021 18:23-1
quaer
31.08.2021 20:30Ответ непонятен :(
Как вы сами создаёте устройста, их систему питания? Не наугад же тыкаетесь!
KstnRF
01.09.2021 10:45Вот.
Что-то наподобии хочешь найти отличия авто с бензиновым, дизельным, электрическим моторами. А тебе "в бензиновый льётся бензин 92, 95, 98. В дизель - дизель. Электро от тока работает" А отличия мощностей, проблем не рассказывают.
"Приготовить блюда из картофеля" - Варенный, жаренный, драники, бабка, ну + картинки. Без рецептов.
Возращаясь на пример авто. Статья типа "Поменял клапан холостого хода/фильтр/ подшипник" И + фото из Интернета детали, которое я и сам могу найти. А зачем ты это делал, какие проблемы были при замене...
Не сочтите за грубость, Автор статьи, но ощущения подобные. Опять же, четвертьволновые линии, Radial stubs и пр. появились в комментариях. Почему бы про них тоже сразу не рассказать?
Особенности включения Т-перекрестков за транзисторами (статья про усилители, но у Вас там и транзисторы, которые и являются усилками).
Думал, будет какая-то действительно ОСОБЕННОСТЬ ПИТАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ, а по сути всё то же используется и для развязки управления аттенюаторами, фазиками, переключателями. Имею ввиду, в основном построенных на отдельных диодах/транзисторах.
Javian
31.08.2021 16:41офф Владельцам алиэкспресных МШУ SPF5189 можно не беспокоиться или можно что-то улучшить на плате усилителя?
Leka_engineer Автор
01.09.2021 19:52+1вот такую картинку я нашла
похоже тут стоят две индуктивности (белые) и два конденсатора на землю. Выглядит вполне неплохо.
обычно производители подбирают схему питания таким образом, чтобы получить средние параметры по всей рабочей полосе частот устройства. если же вы хотите использовать усилитель на более узкий диапазон частот, возможно можно улучшить схему.
обратите внимание на схему американского оригинала:
PArtem_RF
31.08.2021 18:10+1Спасибо за очередную статью. Тот практический опыт, который Вы передаете "молодым" инженерам действительно важен, ибо его можно получить только общаясь с опытными разработчиками или просеивая тонны форумного мусора и аппноуты. Вслед предыдущим публикациям, хотел дать ссылку на набор типа "юный свч радиолюбитель " https://vrtp.ru/index.php?showtopic=31713 , правда не знаю валидная ли она до сих пор).
Не упомянули такую вещь как конические катушки и вариант ее эрзаца от минисекитс adch-80+.
То что "все врут" в даташитах частично верно, скорее производители лукавят, те надо проверять все на макетах, НО не надо недооценивать современные средства моделирования. Порог вхождения в тот же MWO достаточно низок, библиотеки Мураты можно взять на сайте. Экономия времени при разработке - профит.Leka_engineer Автор
31.08.2021 18:17я избегаю категоричных выражений по типу "все врут в даташитах" . скорее они померили на своей плате со своими компонентам и на своих разъемах. можно конечно в точности повторить- скорее всего измерения сойдутся.
промоделировать возможно не всё. но конечно можно, многие производители предоставляют S параметры. и вообще, я нигде не писала, что мол нужно купить всех номиналов и сидеть бесконечно подбирать.
cismoll
01.09.2021 19:24Спасибо за статью.
Почему случай с импульсными сигналами считается сложными? Насколько я понимаю, здесь требуется выбор конденсаторов цепи питания такой, чтобы они успевали разряжаться за время паузы между импульсами.
Потом также интересно, зачем в цепях питания усилителей используют электролитические конденсаторы. Разве не достаточно обычных неполярных?
Расчёт фильтров цепей питания может быть произведён обычными способами синтеза частотных фильтров? Это ведь по своей природе ФНЧ, у которого полоса пропускания должна быть как можно более узкой, а самые "глубокие" участки полосы запирания попадать в область полезного сигнала. Так? Каким в таком случае брать сопротивления генератор и нагрузки? Существую ли какие-то специальные методики?
Leka_engineer Автор
01.09.2021 19:35спасибо
не совсем, для модуляции питания нужен модулятор, большие конденсаторы при разрядке могут сжечь ключи модулятора. и второе - важно не затянуть время нарастания импульса ( на этом я как раз акцентировала в тексте статьи). про паузы вы правы, нехорошо, что усилители долго остаются под напряжением.
они имеют самые большие ёмкости, их задача отфильтровывать самые низкочастотные помехи от источника питания. применение танталовых конденсаторов уже немного архаизм, нынче уже можно и в керамике найти нужную, довольно большую ёмкость. тем не менее они широко встречаются, в том числе у зарубежных коллег.
не поняла ваш последний абзац.
как я писала, есть два типа фильтрации, с одной стороны (в прямом смысле этого слова) отфильтровать шум источника снаружи, и с другой стороны отфильтровать сигнал рабочей частоты, чтобы он не попал в цепи питания.
cismoll
01.09.2021 19:44и второе - важно не затянуть время нарастания импульса ( на этом я как раз акцентировала в тексте статьи).
Да, я собственно, про это же. Правда, вот в статье не могу найти, где об этом сказано
не поняла ваш последний абзац.
Цепь питания является по сути ФНЧ, который должен пропустить постоянный ток и максимально задавить всё то, что имеет хоть какую-то частоту. Если это верно, то существуют описанные в литературе и задействованные во всяких САПР методы синтеза фильтров, в которых надо помимо всего прочего знать сопротивления входа и выхода фильтра. Вот могут ли эти методы синтеза быть применены к расчёту цепей питания?
Leka_engineer Автор
01.09.2021 20:04нет не применяется. (автор не встречал)))
только конденсаторы и их "набор" для увеличения полосы заграждения.
cismoll
01.09.2021 20:06Ну вот да: нафигачить индуктивностей и ёмкостей и радоваться)) А вот рассчитать бы изначально. Хотя, конечно, это всё можно просто помоделировать и настроить как надо.
Leka_engineer Автор
01.09.2021 20:53конечно, это моделируется, по возможности с S параметрами (вообще, компоненты, на которые дают их предпочтительнее)
cismoll
01.09.2021 19:45применение танталовых конденсаторов уже немного архаизм
Я больше имел в виду алюминиевые электролиты, но мысль понял.
Leka_engineer Автор
01.09.2021 20:02алюминиевые используются как накопительные, в случае , когда сигнал свч импульсный, а питание подано постоянно. в момент прихода импульса резко возрастает ток потребления усилителя и источник не успевает "отрабатывать" и минимизируется просаживания амплитуды сигнала на выходе
cismoll
01.09.2021 20:18в момент прихода импульса резко возрастает ток потребления усилителя и источник не успевает "отрабатывать" и минимизируется просаживания амплитуды сигнала на выходе
Да, точно!
А вот зачем бы они могут стоять в цепях питания усилителей, рассчитанных для CW?
Вопиющая безграмотность, конечно. Но лучше спросить, чем не спросить)
Nordicx86
Просто отличный материал, с понятным объяснением - что, зачем и почему - собирайте книгу по Вот таким тонкостям прикладного СВЧ!