מגברים רחבי סרט

כיום אנו עושים שימוש במערכות הכוללת יישומים בתדרים רבים ושונים. לדוגמא, מכשיר טלפון נייד בתחומי תדר הטלפון הסלולארי אשר בו בזמן כולל מקלט GPS וכמו כן מאפשר גישה לתקשורת נתונים מסוג WI-FI. דוגמא זו ממחישה את הצורך במערכות RF המסוגלות לעבוד במספר בתדרים בו זמנית ו/או לסירוגין.על מנת שמערכות שידור/קליטה יתפקדו כראוי במצבים אלו, יש לדרוש כי ההתקנים הפנימיים כגון האנטנה, ממירי התדר והמגברים יהיו בעלי היענות רחבה בתדר. במאמר זה אנו נסקור את העקרונות המנחים בתכנון מגברים רחבי סרט במובן ספרת רעש, הגבר והספק מוצא.

 

כאשר אנו עוסקים בפיתוח מגברים ובפרט מגברים לתחום תדרי ה-RF, קיימות טכניקות פיתוח רבות היות ונדרש לקחת בחשבון את היענויות תלויות התדר הן של הטרנזיסטור והן של רכיבי הפריפריה הסובבים אותו (כולל שיקולי עריכה בתדר גבוה). במצבים אלו אנו משתמשים בטכניקות המבוססות על פרמטרי פיזור (Scattering Parameters) של הרכיב האקטיבי. ניתן להראות כי ביצועי המגבר תלויים במידה רבה בעכבות המשוקפות למגבר במבואו ובמוצאו, כפי שניתן לראות באיור 1.

 

איור 1: מודל 2 פורטים למגבר

  ב. תכנון מגבר LNA רחב סרט

כיום אנו עושים שימוש בתוכנות פיתוח המאפשרות קבלת פיתרון אנליטי למשוואות הנ”ל בהתאם לדרישה ותוך לקיחה בחשבון של השפעות הסביבה. עבור מגברים דלי רעש העיקרון המנחה פיתוח מגבר זה היא עכבת (או מתירות) מבוא. בכל תדר קיימת מתירות ( ) בודדת אשר מביאה לספרת רעש מינימאלית של הרכיב. מתירות זו מצוינת בדפי הנתונים בתור עכבת Yopt וכי כל מתירות אחרת תביא לספרת רעש גבוהה יותר. היות ובכל תדר המתירויות המקיימות את הפתרון הרצוי שונות, המשמעות היא כי על מנת לקיים את ההיענות הרצויה במובן ה-NF יש “לסנתז” את המתירויות אותן רוצה הרכיב “לראות” בהדקיו (תהליך אשר לעיתים קרובות הינו קשה ומורכב ואינו תקף ברוחבי סרט גדולים).

בפיתוח מגברי LNA רחבי סרט, קיימות מספר טכניקות עיקריות :

משוב שלילי – חיבור משוב שלילי בין מוצא למבוא הרכיב (לדוגמא בין ה-DRAIN ל-GATE) מאפשר השגת יציבות במובן תנודות ה-RF ושינויים במתחי אספקה. כמו כן, במגברים אלו, עקב ריסון ההגבר ניתן לקבל רוחבי סרט גדולים עם רמת תיאום מבוא/מוצא מספקים.

קיימים שני משובים עיקריים – משוב התנגדותי ומשוב היגבי. עבור משוב התנגדותי עושים שימוש בנגדים בחיבור מקבילי ו/או טורי אשר מביאים להגדלת רוחב הסרט של המגבר תוך הקרבת הגבר. אולם, עקב השימוש בנגדים ספרת הרעש המתקבלת איננה נמוכה דיה ואף היא תלויה בערכי הנגדים במשוב.  במשובים היגביים, עושים שימוש ברכיבים היגביים כגון קבלים, סלילים ושנאים אשר מספקים את אות המשוב בפאזה המתאימה וללא הפסדים. כמובן שבפועל לרכיבים אלו יש הפסדים עצמיים (בפרט לשנאים ולסלילים) וגורם הטיב של הרכיב ישפיע במידה רבה על ביצועי המגבר. במצב זה ניתן להשיג רוחב סרט עם פגיעה מינימאלית בספרת הרעש. איור 2 מתאר משוב היגבי עקרוני למגבר דל רעש.

איור 2: משוב היגבי לקיזוז הגבר.  (א) טרנזיסטור מסוג FET של חברת NEC  מסוג 33200NE המשמש כרכיב אקטיבי למגבר 1-5GHz. המגבר כולל הן שנאי עבור משוב זרם והן סליל לתיקון עכבת מבוא (ב) ביצועי המגבר במובן הגבר, תיאום מבוא, ספרת רעש מינימאלית וספרת רעש בפועל.

 

 משוב אקטיבי – ניתן להשתמש בארכיטקטורה המשלבת מגבר במשוב. מגבר זה מספק את הפאזה המתאימה למשוב בתחום תדרים רחב. במגברים אלו יש לשים לב לבעיות יציבות כאשר נדרש הגבר משוב גבוה.

תיאום אקטיבי – טכניקה מקובלת בתיאומים אקטיביים היא השימוש בטרנזיסטור מסוג FET  בחיבור common gate. ניתן להראות כי בקירוב טוב, עכבת המבוא שווה להתנגדות ה-source בטור עם נגד  1/gm (כאשר gm מייצג את הגבר מתח הזרם של הרכיב). ניתן לתכנן להגבר gm   כזה אשר יביא לעכבת המבוא הרצויה ובכך לתיאום רחב סרט תוך פגיעה מינימאלית בהגבר ובספרת הרעש.

 

ב. תכנון מגבר מסוג TWDA ( Traveling Wave Distributed Amplifier).

מגבר מסוג TWDA הוא מהמגברים היותר אלגנטיים בטכניקת המימוש המפולגת, הומצא בשנת 1936 על ידי W.S Percival. בשיטה זו מיושמים בצורה נפוצה ביותר מגברים בעלי רוחב סרט הגדול מאוקטאבה (עם הגבר נמוך) המבוססים על תכנון חשמלי מפולג (Distributed). מעגל הגברה בסיסי מתואר באיור 3.

איור 3: משוב היגבי לקיזוז הגבר.  (א) טרנזיסטור מסוג FET של חברת NEC  מסוג 33200NE

 

המגבר בנוי משורה מוגדרת של מגברים טרנזיסטורים, המשורשרים ביניהם ב-Gate וב-Drain ע”י קווי תמסורת המתוארים כסלילים בשרטוט החשמלי. קווי התמסורת בעלי עכבה אופיינית Zg עבור הקווים ב-Gate ו-Zd עבור הקווים ב-Drain. יש להדגיש כי למרות שבתיאור העקרוני אנו עושים שימוש בקווי תמסורת, ניתן ליישם את הקווים באמצעים דיסקרטיים ובכך לאפשר את השיטה בתדרים נמוכים. שיטה זו נפוצה מכיוון שהרכיבים הפאראזיטיים של הטרנזיסטור “מגולמים” בהיענות המפולגת של קווי התמסורת. עם התקדמות האות ב-Gate, כל מגבר מעורר על ידי גל המתח ומספק ב-Drain את האות המוגבר. בתכנון קפדני של המגברים, צבירת הפאזה בין דרגות סמוכות שווה והגלים בין הדרגות מסתכמים. בצורה הזו, המגבר מגביר את הגל הנע בכיוון הקדמי, לעומתו, גלים החוזרים בכיוון האחורי מסתכמים שלא באותה פאזה ובכך מביאים להקטנת VSWR במרחב תדר רחב ביותר.

 

למגבר זה מספר יתרונות :

היות וכל מגבר שקול לדרגות הבאות, תצורה זו מאפשרת בקלות רבה יחסית שרשור מגברים.

מידת הבידוד בין המוצא לכניסה היא גבוהה (-40dB).

יציבות תדר גבוהה (עקב הבידוד הגבוה).

הספק מוצא גבוה בהשוואה לדרגת טרנזיסטור יחידה.

רגישות נמוכה לשונות בערכי רכיבים במעגל החשמלי.

מידת ספרת הרעש של המגבר מופחתת על ידי הגדלת מספר הדרגות.

 

כאמור המודל הפיזיקאלי להיענות קו תמסורת חסר הפסדים היא רשת סינון מסוג LPF. בכך, ניתן לקחת בחשבון בתהליך חישוב עכבת קו התמסורת את הקיבולים הפנימיים של הטרנזיסטור (ב-Gate ו-Drain). לעיתים נדרש לבצע תיאום פאזה בתדרי המגבר ולכן מוסיפים קבלים חיצוניים במקביל לפנימיים. קבלים אלו, יחד עם סליל טורי בין כל חוליה, מהווים את מקטע קו התמסורת המחבר בין הדרגות. בהמשך אנו נראה כי רוחב הסרט תלוי בתדר הקטעון של רשת הסליל-קבל (תדר הקטעון של קו התמסורת).  בפועל ככל שמספר הדרגות יגדל, ההגבר יגדל עד רמה מקסימאלית אשר מקוזזת עם ההפסדים האוהמיים של קווי התמסורת