מגבר מגביל רחב-פס בעל תחום דינמי גבוה

מערכות ל”א חדישות רבות דורשות מקלטים בעלי רעש נמוך המסוגלים לעמוד בפני שינויי הספק מבוא נרחבים ברוחב-פס רב-אוקטאבות. מקלטים אלה חיוניים לשם הגנה של רכיבים רגישים מדחיפת-יתר ב-RF או אפנון AM מרוחק מאותות מבוא. יתר על כן, תכנוני מערכות מרובות-ערוצים והקרבה לאנטנה של המקלט יוצרים דרישות להספק נמוך ומארז קטן. היישומים כוללים קצוות סופיים של IFM ואיתור כיוון, DRFM ומערכות חסימה. מערכות אלה חייבות לפעול בתחום תרמי רחב, ודורשות היענות לתדר שטוחה בעלת תוכן הרמוני נמוך בכל תנאי ההפעלה. המגברים המגבילים (limiting amplifiers) של ADI הם אידיאליים עבור רבים מיישומים אלה בשל ממדי מארז מובילים בשוק, ביצועים חשמליים ו-RF, וקלות השילוב במערכים בעלי רמה גבוהה יותר. מגבר מגביל מיקרוגל הוא מגבר בעל שבח גבוה, רב-שלבי אשר “מגביל” את הספק היציאה על-ידי דחיסה עקיבה של דרגות השבח הפנימי בשעה שהספק המבוא עולה. דרגות השבח נדחסות משלב המוצא אל המבוא, עם תכנון מיוטב כדי למנוע דרגה של שבח פרטי בעלת דחיפת-יתר בכל תנאי ההפעלה. האתגרים המלווים בתכנון מגבר מגביל רחב-פס כוללים הגבלת ההספק היעיל, קיזוז תרמי ושוויון equalization)) תדר לאורך רוחב-פס מרובה-אוקטבות. בנוסף, דרישות המערכת לרעש נמוך, הספק נמוך וממד מארז קטן מוסיפות למורכבות התכנון.

מאמר זה סוקר שיקולי תכנון וטכניקות עבור מגבר מגביל 2-18 גיגה-הרץ בעל דרישות של שבח

45±1.5dB, תחום טמפרטורות פעולה של -40 עד 850C, פחות מ-1.5 ואט DC, ותחום דינמי מגביל של 40dB. תחום דינמי מגביל מוגדר כתחום הספק המבוא בו נקבע הספק המוצא RF. ADI מציעה מוצר של מגבר מגביל רחב-פס 2-18 גיגה-הרץ, ה-HMC7891, אשר עונה לדרישות אלו. מגבר זה כולל ויסות מתח פנימי במארז בעל מחבר אטום הרמטית.

מבנה ושיקולי מגבר
תכנון מגבר מגביל מיקרוגל מתחיל בבחירה של שיטות בנייה מועדפות ומגברים בעלי דרגת שבח פנימית. מערכים היברידיים שבב-ומוליך מועדפים לעתים קרובות לעומת תכנוני התקנה-במשטח עבור יישומים בעלי תדר גבוה במטרה למזער את השפעות הביצועים המזיקות הנגרמות על-ידי מארז טפילי. כמו כן, האמינות של מערכים היברידיים ושבב-ומוליך נחשבת לעדיפה בגלל שמערכים היברידיים מבוקרים היטב ומתאימים היטב לטיפול במאמצים סביבתיים. יתר על כן, מערכים אלה הם קטנים, קלי-משקל וניתן לאטום אותם הרמטית בנקל. מערכי שבב-ומוליך היברידיים מורכבים מ-Monolithic Microwave Integrated Circuits בעלי צורת פיסה, טכנולוגיית שכבה דקה ורכיבים פאסיביים הניתנים לקישור על-ידי מוליך.
שיקולים עיקריים עבור בחירת דרגות השבח הפנימי כוללים תחום תדרי פעולה כנגד טמפרטורה, שטחיות השבח, תוכן הרמוני ברוויה וביצועים לא-ליניאריים. תכנון מוצלח של מגבר מגביל ממזער את דרגות השבח ואת מניית החלקים המיוחדים כדי להקטין את הקיזוז התרמי ואת אתגרי השטחיות. כמו כן, ההצלחה תלויה רבות בקצבי הספק המבוא המרביים של ההתקן ומאפייני הדחיסה של דרגות השבח הנבחרות. כדי להשלים את התכנון בעזרת דרישה של תחום דינמי מגביל של 40dB, מומלץ על ארבעה דרגות שבח מזעריות כך שכל דרגה של המגבר תפעל בלא יותר מ-10dB דחיסה. ארבע דרגות שבח יהיו מספיקות כדי להשיג את דרישת השבח של 45dB באות קטן בתלות בטמפרטורה.

מגברי גוש שבח MMIC רחבי-פס או מגברים בעלי רעש נמוך (low noise amplifiers- LNA’s) הם מועמדים טובים עבור תכנוני מגברים מגבילים בשל השבח הגבוה וההספק הנמוך שלהם. דרישת ספרת רעש תקבע אופיינית את הצורך להשתמש במגברים בעלי רעש נמוך לעומת מגברים בעלי גוש שבח (gain block). אולם, דרגות השבח של ה-LNA עשויות ליצור אתגרי תכנון ככלל בשל קצב הספק המבוא RF הנמוך. להתקן בעל דרגת שבח אידיאלית יש קצב הספק מבוא RF מרבי גבוה ויכולת לתפקד בבטחה ברמות דחיסה גבוהות.
כמו כן חשוב גם תוכן ההרמוני הרווי של כל דרגת שבח. דרישות התוכן ההרמוני תלויות בישום המגבר המגביל. לדוגמה, יישום המיועד להפיק צורת גל מרובעת במוצא זקוק לשימוש במגברי בעלי דרגת שבח בעלת מוצא הרמוני זוגי נמוך ומוצא הרמוני בלתי-זוגי חזק. כדי למנוע את השחתת צורת הגל במוצא, רצוי להשתמש באותו חלק בכל ארבעת האתרים של דרגות השבח. לבסוף, מגברי MMIC מובחרים צריכים להיות יציבים ללא תנאי ולהימנע מדרישות רצף הממתח כדי לפשט את התכנון.
ה-HMC462 הוא MMIC אידיאלי להשלמת התכנון של מגבר מגביל. ה-HMC462 הוא LNA בעל ממתח עצמי הדורש הספקת של +5 וולט יחיד עם יותר מ-13dB שבח, שטיחות שבח מצוינת של 2-18 גיגה-הרץ ומקדם רעש ממוצע של 2.5dB. להתקן יש רמת הספק מוצא רווי של 18dBm והוא יכול לתפקד בתוך מעל 14dB דחיסה לאורך פס התדר. קצב הספק המבוא המרבי שווה-ערך כמעט להספק המוצא הרווי של ההתקן, דבר העושה אותו לאידיאלי לפעולה בסדרה מדורגת (cascaded) של דרגות שבח. בעוד ההרמוניות מסדר שני הן נמוכות, ל-MMIC יש הרמוניה מסדר שלישי חזקה, שטוחה. ההספק ה-DC הרווי הוא פחות מ-400 מילי-ואט.

ניתוח תקציב ה-RF
לאחר בחירת דרגות השבח של המגבר המגביל, חיוני לבחון את ניתוח תקציב מערכת ה-RF. ניתוח תקציב ה-RF בוחן את היענות התדר רחב-הפס ורמות הספק ה-RF בנקודות בחינה שונות בתוך המגבר המגביל. יש להשלים את הניתוח כדי לתקן את טמפרטורות הפעולה במקרה הגרוע ביותר, שיפוע השבח ותחום הספק מבוא RF רחב. כפי שנדון, המערך הבסיסי עבור מגבר מגביל בעל תחום דינמי של 40dB הוא סדרה מדורגת של ארבעה גושי שבח או LNAs. תכנון אידיאלי משתמש רק באחד או שני מספרי חלקים יחידים כדי להקטין את שינויי ההספק לעומת התדר ולמזער את דרישות הקיזוז התרמי/שיפוע.  איור 1 מציג את דיאגרמת הבלוקים המוקדמת בהילוך ראשון של המגבר המגביל לפני תיקון הטמפרטורה וקיזוז השיפוע. טכניקה מומלצת להשלמת תכנון מגבר מגביל רחב-פס היא:
1. לנהל את התחום הדינמי של ההספק המגביל ולבטל את תנאי דחיפת-היתר ב-RF.
2. לייטב את הביצועים בתלות בטמפרטורה.
3. להשלים את התכנון על-ידי תיקון ההתגלגלות (roll-off) ההספק ולשטח את שבח האות הקטן.
4. תיקון סופי זעיר עשוי להיות נחוץ כדי לבחון מחדש את קיזוז הטמפרטורה אחרי ששיווין התדר נכלל בתכנון.

הגבלת ההספק
הסוגיה העיקרית עם התכנון המוקדם המוצג באיור 1 הוא שדחיפת-היתר ב-RF תופיע קרוב לוודאי בדרגות השבח במוצא כאשר הספק המבוא עולה. דחיפת-יתר ב-RF תופיע כאשר הספק המוצא הרווי של כל דרגת שבח עולה על המבוא המרבי המוחלט של המגבר הבא בשורה. יתר על כן, התכנון עשוי להיות רגיש לגליות בגין ה-VSWR וקיים סיכוי רב שתופיע תנודה בשל שבח גבוה, בלתי-מרוסן בתוך מארז ה-RF הקטן.
כדי למנוע דחיפת-יתר ב-RF, להקטין את השפעות ה-VSWR, ולהקטין את הסיכון לתנודה, יש להוסיף מנחתים קבועים בין כל דרגת השבח כדי להקטין את ההספק והשבח. Eccosorb עשוי להיות גם דרוש בכיסוי ה-RF כדי למנוע תנודות. ניחות מספיק דרוש כדי להקטין את הספק המבוא המרבי של כל דרגת שבח מתחת לרמת הספק המבוא המוגדרת של ה-MMIC. חיוני לכלול מספיק ניחות כדי לענות לגבול הספק המבוא ברמה העילית ולהתחשב בשינויים התרמיים ושל החלק-לחלק. איור 2 מציג את המיקומים בהם מנחתי RF דרושים בתוך שרשרת המגבר המגביל.
המגבר המגביל רחב-הפס HMC7891 של ADI משתמש בארבעה דרגות שבח HMC462 והוא מיועד לפעול עד 10dBm. הספק המבוא המרבי המוחלט הוא 15dBm. כל דרגת שבח יכולה לעמוד במבוא RF מרבי של 18dBm. על-פי שלב התכנון המתואר בפרק הקודם, נוספו מנחתים בין דרגות השבח כדי להבטיח רמות הספק מבוא מרביות של המגבר שאינן עולות על 17dBm. איור 3 מציג את רמת ההספק המרבית במבוא של כל דרגת שבח לאחר שנוספו לתכנון מנחתים קבועים.

קיזוז תרמי
השלב השני הוא לקזז תרמית את התכנון כדי להגדיל את תחום טמפרטורת הפעולה. דרישה מקובלת לגבי התחום התרמי עבור יישומי מגברים מגבילים היא -40 עד 850C. נוסחת אצבע על שינוי השבח עבור 0.01dB/degree/stage יכולה לשמש כדי להעריך את שינוי השבח של תכנון מגבר בעל ארבע דרגות. השבח עולה כאשר הטמפרטורה יורדת ולהיפך. תוך שימוש בשבח הסביבתי כקו ייחוס תחתון, השבח הכולל אמור לקטון ב- 2.4dB ב-850C ולגדול ב-2.6dB ב-400C-.
כדי לקזז תרמית את התכנון, ניתן לשלב מנחתים משתנים בטמפרטורה Thermopad במקום המנחתים הקבועים. איור 4 מראה תוצאות בדיקה של מנחת Thermopad רחב-פס הניתן להשיג מסחרית. בהתבסס על נתוני הבדיקה ושינוי השבח המוערך, ברור שדרושים שני מנחתים Thermopad כדי לקזז תרמית תכנון של מגבר מגביל בעל ארבע דרגות. ההחלטה היכן לשלב את ה-Thermopads היא החלטה חשובה. בשל ההפסד העולה של מנחתי Thermopad, במיוחד בטמפרטורות נמוכות, הנוהל הנכון הוא למנוע הוספת רכיבים ליד המוצא של שרשרת ה-RF כדי לשמור על רמת הספק במוצא מגביל גבוהה. מיקומי Thermopad אידיאליים קיימים בין שלוש דרגות המגבר הראשונות, כמודגש באיור 5.

תוצאות הדמיה של ביצועי אות קטן HMC7891 מקוזז תרמית מוצגות באיור 6. שינוי השבח מופחת למרב של 2.5dB לפני שוויון התדר. זהו בתוך דרישת השינוי של השבח של ±1.5dB.

שוויון התדר
השלב הסופי בתכנון הוא לשפר את שטחיות השבח על-ידי שילוב של שוויון תדר. שוויון התדר מקזז את ההתגלגלות השבח הטבעית המצויה ברוב המגברים רחבי-פס על-ידי שילוב שבח חיובי למערכת. קיימים תכנוני שוויון שונים כולל פיסת GaAs MMIC פאסיבית. שוויוני MMIC פאסיביים הם אידיאליים עבור הגבלת תכנוני המגבר בשל הממד הקטן שלהם והיעדר של דרישות אותות DC ובקרה. מספר שוויוני התדר הדרושים תלוי בשיפוע השבח הבלתי מקוזז של המגבר המגביל והיענות השוויון הנבחר. המלצת התכנון היא לקזז-מעל את היענות התדר כדי לפצות על הפסדי קו התמסורת, הפסד המחבר וטפילי זיווד בעלי השפעה גדולה יותר על השבח בתדרים גבוהים יותר מאשר בתדרים נמוכים יותר. תוצאות בדיקה עבור שוויון התדר GaAs רגיל של ADI מצויות באיור 7. המגבר המגביל HMC7891 של ADI דורש שלושה שוויוני תדר כדי לתקן תרמית את היענות האות הקטן. איור 8 מציג את תוצאות ההדמיה השוויונית של ה-HMC7891. ההחלטה היכן לשלב את השוויונים היא קריטית עבור תכנון מוצלח. לפני הוספת שוויונים כלשהם, חשוב לזכור שמגבר מגביל אידיאלי מחלק באופן שווה דחיסת מגבר מרבית לאורך כל דרגות השבח כדי למנוע רוויית-יתר. במילים אחרות, יש לדחוס באופן שווה כל MMIC תחת תנאים גרועים ביותר.
בשלב השוטף של התכנון, המוצג באיור 5, ניתן להוסיף שוויונים במבוא ההתקן, בטור עם מנחתי Thermopad, במקום המנחת הקבוע, או במוצא ההתקן. הוספת שוויונים במבוא של המגבר המגביל מפחיתה את ההספק בדרגת השבח הראשונה. כתוצאה מכך, דחיסת הדרגה הראשונה פוחתת. הפחתה בדחיסת דרגת השבח שוות-ערך להפחתה בתחום הדינמי המגביל. יתר על כן, בשל שיפוע הניחות של השוויון, התחום הדינמי המגביל מתחלק על-גבי התדרים. התחום הדינמי פוחת יותר בתדרים נמוכים יותר מאשר בתדרים גבוהים יותר. כדי לקזז עבור התחום הדינמי המגביל הפוחת, הספק ה-RF במבוא חייב לעלות. אולם, הגדלה שווה של הספק המבוא מוסיפה לסיכון של דחיפת-יתר של דרגת שבח המגבר בשל שיפוע השוויון. אפשר להוסיף שוויון במבוא ההתקן, אך זו איננה בחירה אידיאלית. בנוסף לכך, הוספת שוויון בטור עם ה-Thermopad תקטין את הדחיסה של המגבר העוקב. דבר זה יוצר פילוג בלתי-שווה של דחיסת המגבר בין דרגות השבח ומקטין את התחום הדינמי המגביל הכולל. שוויונים בטור עם מנחתי Thermopad אינם מומלצים.
שלישית, החלפת שוויון (או שוויונים) במקום המנחת הקבוע משנה רק את רמת הדחיסה של מגבר בדרגת המוצא. כדי למזער שינוי זה ולמנוע דחיפת-יתר של ה-RF, הפסד השוויון צריך להיות בערך שווה לערך הניחות הקבוע אשר הוחלף במערכת. יתר על כן, כמצוין קודם, הוספת שוויונים לפני דרגות השבח יוצרת פילוג בתחום הדינמי המגביל לעומת התדר. כדי למזער השפעה זו, החלף את המספר המזערי של שווויונים האפשרי.
לבסוף, ניתן להוסיף שיוויונים למוצא ההתקן. שיוויון המוצא מקטין את הספק המוצא, אך הוא לא ייצור פילוג של התחום הדינמי המגביל. שיוויון המוצא יוצר שיפוע מוצא חיובי במקצת, אך שיפוע זה מקוזז על-ידי המארז בתדר גבוה והפסד המחבר. מערך של מגבר מגביל בעל ארבע דרגות מוצג באיור 9. איור 10 מציג את תוצאת ההדמיה של הספק מוצא לעומת הטמפרטורה עבור ה-HMC7891 של ADI. התכנון הסופי משיג תחום דינמי של 40dB והוא בעל שינוי מוצא במקרה הגרוע ביותר של 3dB בכל תנאי הפעולה.

תוצאות בדיקה של מגבר מגביל של ADI
תוצאות בדיקה עבור ה-HMC7891 מוצגות באיורים 11-18. התוצאות מוכיחות שהתכנון היה מסוגל להשיג שבח של 47dB עם הספק מוצא רווי של 13dBm. תחום ההספק של מבוא המגבר הוא -30 עד 10dBm עבור תחום דינמי מגביל של 40dB. היחידה נבדקה בתחום טמפרטורות הפעלה של -40 עד C850. צילום של ה-HMC 7891 מוצג באיור 19. אם כי ה-HMC7891 תוכנן תחילה כמגבר מגביל, הממד הקטן וביצועי ה-RF המשופרים מאפשרים שימושו ביישומים שונים כולל שימוש בתור משלש תדר או מגבר LO. טכניקת התכנון המתוארת כאן יכולה לשמש עבור תכנוני מגברים מגבילים עתידיים עם שינויים לדרישות מפרט כגון תדר, הספק מוצא, שבח, NF או תחום דינמי מגביל.

“Thermopad” היא סמל רשום של
.EMC Technology, Inc

Adam Winter is an Engineer, and Jerry Cornwell is Manager Product