Материал: Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами

Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами

Реферат

Распределенные плёночные элементы и элементы с сосредоточенными параметрами

Содержание

Введение

. Пленочные резисторы

. Конденсаторы

. Индуктивности

. Подстроенные элементы

Литература

Введение

Пассивные пленочные элементы схем (R, C, L), особенно в микроволновом (СВЧ - сверхвысокочастотном) диапазоне частот, позволяют реализовать значительное количество устройств в гибридном или интегральном исполнении, что решает проблемы надежности, цены и габаритов. При этом размеры элементов могут быть как распределенными, так и полусосредоточенными и даже сосредоточенными.

Принято считать элементы сосредоточенными, когда их линейные размеры не превышают 0,03l (lв - длина волны в линии, определяемая значением длины волны в свободном пространстве l0 = с/f и эффективной диэлектрической проницаемостью подложки eэф как lв = l0(eэф)-0,5). При таких размерах элементов можно пренебречь эффектами, обусловленными волновым характером электромагнитного поля, в частности сдвигом по фазе между входом и выходом элемента. Современные технологические приемы (фотолитография, ИС-технологии) позволяют реализовать сосредоточенные пассивные элементы, работающие вплоть до мм диапазона частот, которые с успехом применяются в генераторах большой мощности и малошумящих усилителях. Эти элементы выполняются обычно на кварце, что с одной стороны существенно улучшает параметры устройства по сравнению с распределёнными элементами, но значительно повышает их стоимость.

Полусосредоточенными считаются элементы, образованные отрезками ПЛ длиной менее четверти длины волны и имеющие в относительно небольшом диапазоне частот свойства сосредоточенных емкостей или индуктивностей.

Рассмотрим подобные элементы и их реализации в современ-ных микроволновых устройствах и системах.

. Пленочные резисторы

В полосковых схемах резисторы используются в качестве схемных СВЧ элементов, оконечных нагрузок и входят в состав низкочастотных цепей управления и питания. Применяются резисторы двух типов: с сосредоточенными параметрами (много меньше длины волны в линии) и распределенными. Предпочтительная форма резистора с сосредоточенными параметрами - прямоугольная. Резистор, включенный в полосковую линию, представляет собой отрезок ПЛ, выполненный из материала с высоким поверхностным сопротивлением. Входное сопротивление резистора

ZBX » R/(1 + jwCR/3),

где R = RSl/v - номинальное сопротивление резистора (RS - поверхностное сопротивление резистивного участка); С - емкость резистора. При выводе предполагалось, что R << wL; L - индуктивность. Емкость С можно оценить по формуле для плоского конденсатора. Эквивалентная схема пленочного резистора на СВЧ, учитывающая структуру тонкой резистивной пленки, в которой отдельные гранулы резистивного материала разделены воздушными промежутками, окисными пленками или диэлектрическим материалом, приведена на рис. 9,1, а. В СВЧ резисторе существует распределенная шунтирующая емкость Ср, на высоких частотах возникает последовательная индуктивность. В общем случае наличие паразитной емкости приводит к уменьшению сопротивления R1 на высоких частотах по сравнению с R на постоянном токе (рис. 1, б).

а                                    б

Рис. 1

Сосредоточенные пленочные резисторы (тонкопленочные) проектируют в виде полосок различной конфигурации. Электрический контакт с проводниками микросхемы обеспечивают перекрытием соответствующих участков резистивной и проводящей пленок (рис. 2).

Рис. 2

При проектировании тонкопленочных резисторов для обеспечения необходимого контакта между резистивным слоем и проводником размеры l1 и b1 не должны быть менее 200 мкм.

Исходными данными для расчета являются: номинальное значение резистора R, значение расчетной величины мощности рассеяния P.

Выбирают сопротивление квадрата резистивной пленки Rÿ, максимально допустимую удельную мощность рассеяния тонкопленочного резистора P и определяют геометрические размеры резистора l, b.

Обозначение размерности сопротивления квадрата пленки RŠ условное, отнесенное к произвольному квадрату поверхности однородной пленки= r/d,

где r - удельное сопротивление пленки, Ом×мм; d - толщина пленки, мм.

Площадь резистора определяют по формуле

S = P/P,

формат которой численно равен отношению его длины к ширине

n = R/R.

При этом геометрические размеры резистора будут

l = 10 (Sn)1/2 , b = 10(S/n)1/2,

где l, b - длина и ширина резистора, мм; s - площадь, см2.

При проектировании сложных схем с большим количеством резисторов, имеющих различные номинальные значения R, допустимо использование более сложных топологических решений резисторов. В этом случае для их расчета следует пользоваться стандартом ОСТ 450.020.224-82.

Варианты включения резисторов между ПЛ различных размеров и конфигурации (например, в направленных делителях) представлены на рис. 2, б, в, г.

Рассмотрим более подробно, наиболее применяемые топологии резисторов.

Резистор, заземленный через отверстие - cогласованная широкополосная нагрузка - устройство СВЧ, предназначенное для согласования нерабочих выходов СВЧ-схем. Она представляет собой резистор с сопротивлением, равным волновому сопротивлению тракта СВЧ, подключенный одним плечом к ПЛ, другим плечом к короткозамкнутому основанию. Топология и варианты конструкций нагрузки показаны на рис. 3, а, б.

а                          б                          в

Рис. 3

Основной электрической характеристикой нагрузки является частотная характеристика KстU, а основные требования к согласованной нагрузке: размеры предельно малы по сравнению с длиной рабочей волны; в месте включения не должно быть существенных нерегулярностей; короткозамыкающий отрезок должен быть минимальной длины. Диаметр отверстия, через которое заземляют резистор нагрузки, должен быть достаточным для обеспечения надежной металлизации отверстия (обычно d = 1 - 2 мм).

Согласованная нагрузка с размерами резистора 0,5х0,5 мм (Ra = 50 Ом/‰) и контактной площадкой 0,5х0,5 мм в ПЛ с Z0 = 50 Ом на подложке из ситалла толщиной h = 0,5 мм, обеспечивает KстU < 1,15 до 10 ГГц. В микросхемах, работающих в полосе частот Df/f0 £ 10 %, малое KстU обеспечивает узкополосная согласованная нагрузка, роль короткозамыкателя которой выполняет разомкнутый на конце шлейф (рис. 3, б). Для обеспечения KстU £ 1,1 - 1,5 в полосе частот с перекрытием K = f2/f1, волновое сопротивление шлейфа Zш должно быть

Zш » 0,1 Z0 tgp/2k,

где f1 и f2 - граничные частоты рабочей полосы.

Геометрическую длину шлейфа lш определяют по формуле

ш = 0,25l0/(eэф.ш)0,5,

причем длина шлейфа lш должна быть равна или больше ширины шлейфа vш.

Резистор такого назначения можно реализовать и при замыкании на землю через проводящую плоскость на верхней поверхности платы (КстU резистора улучшается при заземлении через металлизированный торец платы), рис. 3, в. Величина сопротивления таких резисторов определяется как .

Простейший резистор, заземленный с помощью четвертьволнвого разомкнутого шлейфа и в виде линии передачи с большим затуханием имеют вид рис. 4 и его величина определяются как:

Рис. 4

 ,

f1, f2 - граничные частоты полосы, при этом коэффициент отражения равен

Резисторы в форме сектора, трапеции, полуокружности, сопряженный по окружности с полоской и заземленной поверхностью имеют вид рис. 5 и описываются соответственно формулами:

а                 б                 в                 г

Рис. 5

а.

б.

в.

г.

где

При проектировании резисторов важную роль играет выбор такого перекрытия N, при котором наблюдается стабилизация переходного контактного сопротивления.

Рекомендуется для сопротивлений 25 - 50 Ом N = 0,7 - 0,5 мм; 50 - 200 Ом N = 0,5 - 0,4 мм; 200 - 500 Ом N = 0,4 - 0,2 мм (см. рис. 6). Для резисторов, у которых b < v, элемент стыковки с полоской, расширенный по сравнению с его рабочей частью, должен выступать из-под проводниковой пленки на расстояние в 1,5 - 2 раза превышающее ошибку на совмещение слоев при изготовлении платы.

Рис. 6

Резисторы с мощностью рассеяния до 0,5 Вт обычно выполняют в виде малогабаритных пленочных конструкций, а при более высокой мощности рассеяния используют конструкции, имеющие большую площадь. В нагрузочных резисторах на ситалле допустимо рассеивать до 3 Вт/см2, на поликоре - до 20 Вт/см2 при рабочих температурах 60 - 70 0С.

. Конденсаторы

Различают параллельные и последовательные конденсаторы.

Параллельная ёмкость может выполняться в виде отрезка ПЛ с волновым сопротивлением Z1 меньшим Z0 (рис. 7) при этом номинал её определяется как C [пФ] » Z1l(eэф)0,5/c, Z1 [Ом], l [м], c = =3×108 м/с, где величина l должна удовлетворять неравенству l < lв/8; с - скорость света [м/с] (либо по формуле плоского конденсатора, при выполнении указанного ранее неравенства С [пФ] = =0,885ser/d, где s - площадь металлической площадки, а d - толщина слоя диэлектрика в см, er - относительная диэлектрическая проницаемость).

Рис. 7

Кроме того, параллельная ёмкость может быть выполнена на краю платы либо через отверстия в ПЛ с включением сосредоточенного элемента, либо в виде распределенной емкости. Такую емкость, как и любую реактивную проводимость можно создать в виде шлейфов, разорванных либо закороченных на землю на конце (рис. 8). При этом величина емкости (либо индуктивности) находится в сильной зависимости от частоты сигнала и определяется для входной реактивной проводимости параллельных шлейфов:

- для короткозамкнутого - Yвх.кз = - j1/Zшctg2plш/lв;

- для разомкнутого - Yвх.хх = 1/Zш tg2plш/lв,

где Yш, Z ш - волновая проводимость и сопротивление шлейфа; lш - геометрическая длина шлейфа; lв - длина рабочей волны в ПЛ.

Рис. 8

В полосковых схемах на органических диэлектриках получила распространение емкость, образуемая при наложении части полоски на ее продолжение через слой пленочного диэлектрика (пленка из фторопласта, полиамидная и т.п.). В интегральных ИС СВЧ подобные емкости выполняются методами толстопленочной технологии. На рис. 9 приведены типичные топологии пленочных конденсаторов с элементами подстройки для получения более близких к номиналу значений. Отклонения от номинала в среднем 10 - 15 %.

а                 б               в

Рис. 9

пленочный элемент резистор конденсатор

При составлении топологии отдельных слоев следует учитывать, что нижняя обкладка должна выступать за край верхней не менее чем на 200 мкм, а диэлектрик должен выступать за границы площадки перекрытия обкладок не менее чем на 200 мкм. Расчет емкости С по формуле плоского конденсатора (C [пФ] = =0,885lver/h, v, l, h [см]) вносит погрешность не более 5 %, обусловленную пренебрежением краевыми эффектами, если l < l.

Плоский конденсатор прямоугольного (как и круглого сечения) на материале подложки, рис. 10 иногда называемый сосредоточенным конденсатором на подложке, применяется вплоть до сантиметрового диапазона. Расчет подобных элементов (а), если их линейные размеры v и l меньше l, основан на представлении плоского конденсатора в виде отрезка ПЛ шириной v и длиной l (б - для круглого сечения).