Уменьшение коэффициента шума монолитных малошумящих СВЧ-усилителей

Малошумящий усилитель (МШУ) – фундаментальный компонент цепи приема сигнала. Его задачей является усиление чрезвычайно слабых сигналов, принятых антенной приемника.

Шум, вносимый МШУ, должен быть минимальным. По его величине принимают решение о пригодности антенны для проектируемой системы. Количественным показателем шума служит коэффициент шума, выраженный в децибелах и отражающий степень ухудшения отношения сигнал-шум при прохождении сигнала через схему. Малошумящие усилители выпускаются в виде монолитных СВЧ ИС (MMIC), и часто их характеристики значительно превосходят МШУ на основе дискретных транзисторов. Кроме того, интегральные усилители не требуют согласующих схем, поэтому их установка на плату значительно проще, чем дискретных усилителей.

На рисунке 1 показана конструкция однокаскадного усилителя, состоящая из входной согласующей цепи, транзистора и выходной согласующей цепи. Минимальное значение шума достигается при правильном подборе коэффициента отражения источника (ГS). Значение ГS, при котором достигается минимальное значение шума, является оптимальным (ГOPT). Параметры ГOPT, минимальный коэффициент шума (FMIN) и эквивалентное нормированное сопротивление шума (rN) указываются в документации или определяются эмпирически.

Рис. 1. Однокаскадный МШУ

В общем случае при проектировании МШУ на дискретных транзисторах расчет входной согласующей цепи становится главной задачей, при решении которой достигаются наименьший уровень шума от транзистора, а также расчет выходной согласующей цепи, что позволяет удовлетворить требования по выходным обратным потерям, коэффициенту усиления, его равномерности и другим параметрам.

По сравнению с МШУ на дискретных транзисторах использование готовых согласованных на 50 Ом монолитных МШУ кажется проще. Тем не менее характеристики монолитных МШУ могут быть оптимизированы теми же способами, что и в дискретных МШУ.

Монолитные МШУ предназначены для работы в широком диапазоне частот, однако указанное в документации значение коэффициента шума не является самым маленьким во всем диапазоне частот.

Рассмотрим пример оптимизации МШУ PMA‑5451+ (Mini-Circuits) в диапазоне 5G. Для моделирования применялась среда проектирования Keysight Technologies и модели Modelithics для монолитных МШУ и пассивных компонентов. Модель Modelithics для PMA‑5451+ была проверена как для S‑параметров, так и для шумовых параметров, использованных для оптимизации схемы с целью достижения наименьшего уровня шума в нужной полосе частот. Цель состояла в том, чтобы уровень шума оптимизированного МШУ был ниже, чем типичное значение, указанное в документации. Результаты измерений подтвердили корректность подхода.

Характеристики МШУ

Усилитель PMA‑5451+, чей внешний вид приведен на рисунке 2, изготовлен по технологии PHEMT (псевдоморфные транзисторы с высокой подвижностью электронов). Диапазон рабочих частот составляет 50 МГц…6 ГГц. Напряжение питания: +3 В, ток потребления: 30 мА, номинал согласующего резистора: 1,5 кОм. Усилитель выпускается в корпусе размером 3×3 мм. В документации приведена рекомендуемая схема подключения (см. рис. 3), а также схема тестирования, предназначенная для определения фактических характеристик устройства. В таблице 1 указаны значения типичного коэффициента усиления, коэффициента шума и обратных потерь на входе и выходе при температуре 25 °C. Таким образом, типичное значение коэффициента шума равно 1,3 и 1,5 дБ на частоте 3 и 4 ГГц соответственно. Задача оптимизации – свести к минимуму уровень шума в диапазоне 3,3–3,8 ГГц (один из диапазонов 5G).

Рис. 2. Внешний вид МШУ PMA-5451+

Рис. 3. Схема подключения МШУ PMA-5451+

Модель Modelithics усилителя PMA‑5451+ описывает поведение МШУ на основе шумовых и S‑параметров, измеренных во всей полосе частот с помощью векторного сетевого анализатора Keysight PNA-X, оснащенного функцией обработки сверхбыстрого шума. По S‑параметрам и шумовым показателям модель пригодна при температуре 25 °C, напряжении смещения 3 В и токе потребления 30 мА. Частотный диапазон моделирования S‑параметров составляет 45 МГц – 20 ГГц, шумовых параметров 500 МГц – 8 ГГц, что полностью соответствует рабочему диапазону частот МШУ.

Модель включает три варианта толщины подложки: расчеты проводились для подложки Rogers RO4350B толщиной 6,6, 10 и 20 мил. Выбор толщины подложки в программной среде осуществляется с помощью параметра «Подложка» (Substrate). В рассматриваемом примере использована подложка толщиной 0,5 мм. Modelithics предоставляет техническое описание PMA‑5451+ со схемой применения, в том числе S‑параметры и шумовые параметры модели. Приведенные графики можно воспроизвести с помощью моделирования схемы в программной среде, содержащей согласованную на 50 Ом на входе и выходе модель PMA‑5451+ (см. рис. 4).

Рис. 4. Модель Modelithics для усилителя PMA-5451+ с подложкой RO4350B толщиной 0,5 мм

Результаты моделирования коэффициента шума в схеме, изображенной на рисунке 4, представлены на рисунке 5. На рисунке 6 сравниваются расчетные коэффициенты шума при согласовании 50 Ом для трех вариантов толщины подложки. На рисунке 5 видно, что уровень шума составляет 1,14 дБ на частоте 3,3 ГГц, незначительно повышаясь до 1,32 дБ на частоте 3,8 ГГц. На этих же частотах минимальный показатель шума составляет 0,82 и 0,89 дБ соответственно. На частоте 3,3 ГГц показатель шума на 0,32 дБ выше минимального значения, а на частоте 3,8 ГГц разница составляет 0,43 дБ.

Рис. 5. Расчетная зависимость коэффициента шума (красным) и минимально возможного коэффициента шума (синим) от частоты

Рис. 6. Расчетная зависимость коэффициента шума от частоты при разной толщине подложки: 0,17 мм (красным), 0,25 мм (синим) и 0,5 мм (зеленым)

Таким образом, при правильно спроектированной согласующей цепи коэффициент шума МШУ ниже, чем указано в документации. Было показано, что можно достичь коэффициента шума ≤ 1,0 дБ на частотах 3,3–3,8 ГГц.

По диаграмме на рисунке 7 определяется оптимальный коэффициент отражения источника SOPT для минимального значения шума. Для достижения наименьшего уровня шума коэффициент отражения источника ГS, обеспечиваемый входной согласующей цепью PMA‑5451+, должен близко соответствовать значению SOPT на частотах 3,3–3,8 ГГц. На рисунке 8 показаны результаты моделирования параметров |S21|, |S11| и |S22|. Видно, что коэффициент усиления варьируется 8,70–9,82 дБ в рассматриваемом диапазоне частот.

Рис. 7. Оптимальный коэффициент отражения, обеспечивающий минимальный коэффициент шума на частотах от 1,5 до 6 ГГц

Рис. 8. Результаты моделирования параметров:
а) |S₂₁|,
б) |S₁₁| И |S₂₂|

Модель МШУ

На рисунке 9 представлена схема, которую производитель рекомендует для применения. Она содержит усилитель PMA‑5451+, конденсатор C1 и индуктивность L2 на входе МШУ. Эти два компонента вместе с микрополосковыми линиями представляют собой входную согласующую цепь. На выходе МШУ конденсатор C2 и дроссель L1 подбирают так, чтобы обеспечить приемлемый коэффициент обратных потерь. Схема также включает смещающий резистор RBIAS величиной 1,5 кОм, устанавливающий ток смещения 30 мА, и блокирующий конденсатор C3.

Рис. 9. Программная модель полной схемы усилителя

Для конденсаторов, дросселей и резистора использовались модели Modelithics Microwave Global Model; для всех перечисленных элементов был выбран корпус типоразмером 0603. Для C1 и C2 выбраны конденсаторы AVX SQCS, в качестве L1 и L2 – дроссели Würth Elektronik WE-KI, в качестве RBIAS установлен резистор KOA Speer RK73H 1,5 кОм, а емкость C3 представлена 0,1-мкФ конденсатором Murata GRM‑188R72A. Таким образом, одна модель охватывает весь набор компонентов, а поскольку их номиналы масштабируемы, она удобна для настройки и оптимизации схемы.

Для получения оптимального коэффициента шума на частотах 3,3–3,8 ГГц необходимо скорректировать значения C1 и L2. Поскольку свою роль играют и длины микрополосковых линий, соединяющих C1 и L2 с усилителем, их тоже следует учесть.

Для установки исходной точки, с которой начинается оптимизация, было проведено моделирование коэффициента усиления и коэффициента шума. Исходные номиналы: C1 = 100 пФ, L2 = 390 нГн, длина межсоединений оставлена произвольной. На частоте 3,8 ГГц изначально коэффициент усиления составлял чуть менее 8 дБ, а коэффициент шума немного превышал 1,6 дБ (см. рис. 10).

Рис. 10. Расчетная зависимость коэффициента усиления (красным) и коэффициента шума (синим) от частоты до оптимизации

Следующим этапом стала оптимизация схемы для уменьшения коэффициента шума. Этот процесс упрощен за счет функции дискретной оптимизации, при которой значение элемента модели корректируется в соответствии с номиналом компонента, указанным производителем.

Таким образом, в процессе оптимизации можно задать диапазон варьируемых значений компонентов. В приведенном примере функция дискретной оптимизации применяется для C1 и L2. В диапазоне 3,3–3,8 ГГц была поставлена цель снизить максимальный коэффициент шума до 0,9 дБ. После оптимизации получены следующие значения: C1 = 2 пФ, L2 = 27 нГн, C2 = 3,6 пФ и L1 = 3,3 нГн (см. табл. 2).

На рисунке 11 показаны результаты моделирования коэффициента шума усилителя до и после оптимизации. После оптимизации расчетный коэффициент шума составил < 1,0 дБ на частотах 3,3–3,8 ГГц. На рисунке 12 представлены расчетные значения коэффициента усиления и коэффициента обратных потерь после оптимизации. Коэффициент стабильности превышает единицу во всем диапазоне частот (50 МГц – 8 ГГц). На рисунке 13 сравниваются значения SOPT усилителя с коэффициентом отражения, видимым со стороны входной согласующей цепи. Для достижения оптимального коэффициента шума в диапазоне 3,3–3,8 ГГц коэффициент отражения источника должен быть как можно ближе к SOPT, что подтверждается зависимостью, приведенной на рисунке.

Рис. 11. Расчетная зависимость коэффициента шума от частоты до оптимизации (точечная линия) и после нее (красным)

Рис. 12. Результаты моделирования параметров |S₂₁| до оптимизации (черная точечная линия) и после нее (красным), расчетные зависимости |S₁₁| (синим) и |S₂₂| (фиолетовым)

Рис. 13. Значение SOPT (голубые кружки) и коэффициент отражения, видимый со стороны входной цепи согласования PMA-5451+ (красным)

Прототип и измерения

Заключительным этапом было изготовление схемы и выполнение измерений. На рисунке 14 показана одна из двух изготовленных схем, предназначенных для проведения измерений. Измеренные значения коэффициента усиления и коэффициенты обратных потерь в значительной степени согласуются с результатами моделирования (см. рис. 15 и 16). На рисунке 17 сравниваются значения коэффициента шума, полученные путем моделирования и измерения реальной схемы, в т.ч. расчетное значение до оптимизации.

Рис. 14. Внешний вид МШУ

Рис. 15. Результаты измерения коэффициента усиления обоих МШУ (пунктирная линия) и моделированная характеристика (красным)

Рис. 16. Сравнение результатов измерения (пунктирные линии) и моделирования (красным):
а) на графике представлен параметр |S₁₁|,
б) на графике параметр |S₂₂|

Рис. 17. Коэффициент шума двух изготовленных МШУ (пунктирные линии), расчетный коэффициент усиления до (черная точечная линия) и после (красным) оптимизации

У одного из двух МШУ коэффициент шума < 1 дБ на частотах 3,3–3,8 ГГц, в то время как коэффициент шума второго усилителя немного выше; максимальное значение равно 1,06 дБ на частоте 3,8 ГГц. Видно, что результаты измерений отклоняются от результатов моделирования. Это может быть связано с различиями в схеме за счет допусков и чувствительностью измерений. Тем не менее результаты подтверждают, что снижение шума было достигнуто.

Выводы

Результаты измерений реальной схемы показывают, что монолитные СВЧ МШУ могут быть оптимизированы для обеспечения в узком диапазоне частот меньшего шума, чем указано в документации производителя.

Модели Modelithics оптимальны для имитации работы МШУ, поскольку позволяют прогнозировать как S‑параметры, так и шумовые характеристики. Масштабирование  значений пассивных компонентов в модели позволяет легко оптимизировать ее для достижения поставленных целей.