книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств
..pdf30
№. |
I |
2 |
3 |
|
4 |
|
5 |
Таблица |
1 .2 |
|
||
обра |
|
|
6 . |
7 |
|
|||||||
зца |
836 |
1169 |
1348 |
|
7887 |
144 |
186 |
1150 |
|
|||
Ro |
, ом |
|
|
|||||||||
№ |
8 |
9 |
10 |
|
I I |
12 |
13 |
14 |
15 |
|||
обра |
|
|||||||||||
зца |
7439 |
667 |
286 |
|
99 |
2384 |
3105 |
515 |
102 |
|||
Ro |
.Ом |
|
||||||||||
ки резисторов |
типа |
ОШГГ 0 ,5 |
Вт (штрих-пунктирные линии ) . |
с |
||||||||
Измерение величины |
-ц- |
для этих резисторов проводилось |
||||||||||
применением тех же приборов, |
которые |
использовались при изме- |
||||||||||
рении пленочных резисторов.» |
|
|
частотных зависимостей |
|||||||||
|
|
Были проведены также исследования |
||||||||||
пленочных резисторов на основе сплава МЛТ-ЗМ. При сравнении экспериментальных данных для резисторов из пленок нихрома и сплава МЛТ на р и с .I .16 видно, что у последних менее выражена частотная зависимость. На основании этого пленочные резисто ры из сплава МЛТ-ЗМ можно рекомендовать для использования на более высоких частотах, чем нихромовые.
На р и с.1 .1 7 приведены результаты исследования частотных свойств тонких резистивных пленок из тантала.. Полученные ре зультаты позволяют утверждать, что танталовые резисторы явля ются более высокочастотными, чем резисторы из нихрома и сплава МЛТ-ЗМ.
Изменение сопротивления пленочных резисторов при измене нии частоты, по-видимому,объясняется структурными особенно стями пленок металлов и сплавов. МЛТ и нихромовые пленки
31
и з-за многофазности можно рассматривать |
как |
совокупность зерен |
|
и прослоек, с ростом частоты уменьшение |
|
объясняется |
влия |
нием внутренних емкостей между частицами или агрегатами |
про |
||
водника, при этом растет емкостная составляющая тока, шунтиру ется активное сопротивление. В танталовых резисторах этот
32
150 |
200 |
250 |
300 |
350 ^ыГц |
Р и с .I . |
17. Зависимость |
сопротивления |
пленочных |
|
|
резисторов |
из тантала от частоты. |
||
эффект несколько ослаблен.
В результате проведенных исследований установлено
следующее.
1 . У низкоомных пленочных резисторов величина активного
сопротивления слабо, изменяется в диапазоне частот 170-395 МГр,
что качественно подтверждает правомерность проведенного, тео ретического анализа.
2 . С увеличением сопротивления пленочных резисторов
наблюдается более резкое изменение отношения |
/(у |
с возра |
станием частоты. |
- jj r |
|
|
0 ,2 f0 ,3 кОм) |
|
3 . Для высокоомных пленочных резисторов ( |
|
|
прямоугольной формы до частот 250 Mfn наблюдается |
постоянство |
|
|
|
33 |
отношения |
R i |
. а с дальнейшим увеличением частоты - умень- |
-ко |
||
|
p- |
|
шение этого отношения. Причем уменьшение проявляется тем
резче, чем больше величина сопротивления.
4 . Для высокоомных пленочных резисторов, имеющих форму
меандра, собственная емкость увеличивается за счёт паразитной
емкости между сторонами |
звеньев |
меандра, что приводит к резко- |
||||||
му уменьшению отношения |
R/ |
с |
увеличением частоты. |
|||||
|
5 . Наилучшими частотными свойствами обладают пленочные |
|||||||
резисторы прямоугольной формы, |
имеющие |
Ra |
, не превышающее |
|||||
3 |
кОм. |
Сравнение частотных характеристик пленочных резисторов |
||||||
из |
6 . |
|||||||
нихрома и резисторов |
ОШГГ 0 ,5 Вт показывает, что полное |
|||||||
сопротивление последних с повышением частоты уменьшается |
||||||||
заметно |
резче, чем пленочных. |
|
|
|
|
не ограничивает |
||
|
7 . |
Установлено, что |
в е л и ч и н а е щ е |
|||||
область использования пленочных резисторов |
в гибридных микро- • |
|||||||
схемах |
в противоположность, например, пленочным аттенюаторам. |
|||||||
В ВЧ гибридных пленочных микросхемах |
/можно использовать пле |
|||||||
ночные резисторы и на частотах |
выше |
м ***, |
если модуль их ■ |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
||
сопротивления значительно превышает (для высокоомных резисто ров) модуль входного и выходного сопротивлений каскадов или нагрузки.
34
b . РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕНОЧНЫХ И ПРОВОЛОЧНЫХ ЖШАТіиРНЫХ КАТУШЕК ШЖКТИВНОСГИ
В литературе известно много эмпирических соотношений и различного вида номограмм [1 .2 , 1 .3 , 1.4] для расчёта вели
чины индуктивности спиральных объемных и пленочных катушек индуктивности. Однако расчёты пленочных катушек индуктивно
сти |
по формулам, |
приведенным в перечисленных источниках, |
|||||||||||||
дают весьма приближенные значения. |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
В общем случае [1.5] |
|
+ а |
|
|
|
|
|
|
||||||
где |
|
|
- |
|
L/v |
- jV L t |
|
|
L |
|
r |
|
|
|
|
Л І |
l , |
индуктивность первого |
витка; |
|
|
|
|||||||||
|
|
оіщ- |
поправка на геометрий витков; |
|
|
||||||||||
|
У |
- |
количество |
витков. |
|
геометрию витков, |
используя |
||||||||
Найдем поправку |
a |
L oSuj, |
на |
|
|||||||||||
выражение, |
приведенное в |
[1.5] |
для ленточной |
катушки с конеч |
|||||||||||
ными размерами. |
Сделав необходимые преобразования, |
получаем: |
|||||||||||||
где |
|
|
- |
„ L/ |
|
2/*f |
■./ |
|
^ |
п Р + В |
|
|
|||
|
|
аДщ - /'+ у й г |
|
|
J 7 T |
’ |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
* • /* |
-П |
|
|
||||||
jU j, у 2. |
магнитные проницаемости двух сред, на границе |
||||||||||||||
|
|
Д |
|
|
|
|
|
|
|
<£* |
|
|
|
||
|
|
р |
- |
раздела которых помещена катушка; |
|
||||||||||
|
|
в |
шаг витков пленочной спиральной катушки; |
||||||||||||
|
|
|
- ширина витков спирали; |
|
|
|
|
||||||||
|
|
h |
- |
|
г |
- |
-.Р-9Л. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
толщина пленки; |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
,
Dcp- средний .диаметр катушки.
Поправкой на взаимоиндуктивность витков е значении можно пренебречь, т .к . она обычно более чем на порядок меньше
35
поправки на геометрию витка.
При принятом допущении для пленочной спиральной катушки,
содержащей |
Ь/ |
витков, |
получаем следующую общую расчётную |
|
формулу [1 .8 ]; |
г _ |
|
> |
|
где |
|
2!*<Р*г |
Г. |
|
Из полученного выражения видно, что величина индуктивности
спиральной пленочной катушки зависит от частоты и>0 .
В [ 1 .5 ], исходя из уравнений электродинамики,-выведена
формула для расчёта величины индуктивности пленочной катуш ки с прямоугольным контуром;
L = 0,0921Ыг [(S, - Sz)fy |
|
|
- S f % (S t + f ) - S z 2g(Sz * 0 + |
||||
+ 0,004 N z(2g + |
+ Q,447A/p)-0,04($,*S2)(A*8), |
||||||
где S,,SZ - |
размеры контура |
первого витка, см; |
|||||
|
-ß |
- |
коэффициенты. |
|
|
||
А, В |
|
|
|
|
|
|
|
При |
Р |
= |
I |
коэффициент А = 0,557; |
|||
— |
|||||||
при |
|
= |
2 |
коэффициент А |
= -0 ,1 3 6 . |
||
Значение |
коэффициента |
В |
приведено в т а б л .1 .3 . |
||||
кольца крутлого |
формула .для определения индуктивности |
||||||
сечёйия |
на любой частоте: |
||||||
|
|
|
L ~ / i0R(Ъ j r - 2 |
* J r j , |
|||
36
И/ |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица |
1 .3 |
|
|
|
2 |
|
3 |
4 |
5 |
|
6 |
7 |
8 |
|
9 |
10 |
||
в |
|
|
|
|
||||||||||
где |
0 |
0,114 |
0,166 |
0,197 |
0,218 |
0,233 |
0,244 |
0,255 |
0,26 |
0,266 |
||||
|
г |
- |
радиус |
кольца; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
R |
радиус |
провода кольца. |
|
|
|
|
|
|||||
Значение |
- |
|
приведенной в [ 1 .5 ]; |
|||||||||||
'J - f ( k r ) |
находится по |
таблице, |
||||||||||||
|
/ta p |
- |
|
|
к ~ |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
магнитная проницаемость и удельная проводимость |
|||||||||||
|
|
|
|
вещеотва провода. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Определим индуктивность многовитковой миниатюрной проволоч |
|||||||||||||
ной катушки, |
помещенной в |
среду |
о |
|
. |
Согласно |
выражению |
|||||||
для |
L // |
, |
получаем: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
LMnp =/*’fo У /P [(&!3&* -2* %-)■//+■ |
|
-ff.5569] , |
||||||||||||
или |
окончательно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
L m f |
=f» ■2jtD ^ •//[(&, |
|
|
-2-(- * tu3)-0.5569] ІО*мкГ», |
||||||||||
где |
|
іи з -- |
диаметр провода катушки; |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
d |
|
толщина изоляции провода. |
мкРн |
|
|
|
|
|||||
Здесь |
все |
|
, Из полученного |
|||||||||||
размеры |
- в мм, |
а |
д |
- в |
м |
|||||||||
выражения для величины индуктивности видна её зависимость от |
||||||||||||||
частоты, |
т .к . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Когда |
Х>ср > tOd |
1 = Н * > М ' Г )- |
можно пренебречь. При этом |
|||||||||||
, |
членом |
~•Г |
||||||||||||
получается погрешность не |
более |
2 |
$ [ 1 .5 ] . |
|
|
|
|
|||||||
|
Измерениями индуктивности большого числа образцов пленоч |
|||||||||||||
ных спиральных, |
с прямоугольной конфигурацией контура |
и про |
||||||||||||
37
водочных спиральных катушек, изготовленных по данным, рас
считанным по формулам ( І . І І , І . І 2 , І . І З ) , установлено, что
индуктивность катушек получается на 4 -5 $ меньше расчётной.
|
Т)а |
Jljm |
всех катушек было выдержано с о о т н о ш е н и е ^ ^ - « J . При |
|
выполнении этого условия добротность катушек получается максимальной и поддается приближенному расчёту.
На частотах 10-400 М1*ц в гибридных пленочных микросхемах
напыленные катушки индуктивности имеют ограниченное примене
ние и з-за их низкой добротности.Чащѳ используются толстопленоч
ные катушки индуктивности с толщиной пленки не менее 30 мкм,
полученные электрохимическим методом.
В гибридных микросхемах для рабочих частот 10-400 МГц
возможно применение проволочных спиральных катушек индуктив ности, наматываемых из обмоточных проводов. Диаметр провода может изменяться от 0,05 до 0,15 мм и выше в зависимости от требуемой величины индуктивности, добротности и габаритов катушек. Размеры таких катушек индуктивности в несколько раз меньше размеров катушек, изготавливаемых фотоэлектрохимиче-
ским методом, а добротность выше.
Добротность плоских проволочных спиральных катушек инду
ктивности зависит от сопротивления потерь материала проводни ка на постоянном и переменном токе ВЧ, величины потерь в материале подложки, в материале изоляции и клеющем веществе
в спиральной проволочной катушке индуктивности, а также от
собственной емкости катушки. Полная схема замещения катушки
при работе на ВЧ изображена на р и с .I .1 8 ,а . Здесь |
Г - |
- со |
|
противление потерь катушки |
на постоянном токейл; |
- сопро |
|
тивление потерь катушки на |
переменном токе; |
- сопротив- |
|
38
r = |
n |
On
Ra
0)
А |
Ъ |
Ra |
|
-i— |
ц |
6)
Р и с .I . 18 . Схема замещения катушек индуктивности.
ление потерь катушки, определяемое собственной емкостью;
Ск - с о б с т в е н н а я е м к о с т ь к ат у ш к и . |
|
|
|||||
Известно |
[ 1 .2 ], |
что величина сопротивления потерь опреде |
|||||
ляется по.формуле: |
fcJ Ск ■lq8 |
|
|
|
|||
|
|
|
Ra - , |
|
|
|
|
Пересчитав это сопротивление на вносимое последовательное, |
|||||||
получаем: |
Га =0,25CK ^ S -L Z/ |
S' М * |
8м. |
( І . І І ) |
|||
Здесь |
. |
L |
- |
емкость, |
пф; |
|
|
|
|
Ск |
- |
индуктивность, |
мкГн; |
|
|
|
|
|
|
|
|||
/ - частота, МРц.
Схема замещения катушки индуктивности в этом случае принимает вид, изображенный на рис,1 .1 8 ,б .
Величина добротности пленочной и проволочной спиральной катушек индуктивности в общем случае определяется по формуле:
|
|
|
39 |
где |
а = |
tu L |
|
|
Гоби^ |
||
Г общ = Г= |
- Гр * Гд . |
||
В пленочных катушках индуктивности с защитным покрытием
величина добротности определяется потерями в подложке и мате риале покрытия, а в спиральных проволочных катушках индуктив ности - потерями в изоляции и клеющем веществе, применяемом для скрепления витков.
Тогда |
выражение ( І . І І ) |
может быть представлено в виде: |
||
Ot ~ 0,25 L Z' f |
Ск(^1$п.к +tyâui. noKp.J ■fO f (?** , |
( I .I I a ) |
||
гдet^ffn.K |
- |
тангенс угла Потерь в материале |
подложки или |
|
i^ßuj.noKp _ |
клеющего вещества; |
|
||
|
|
танген0 урла потерь в материале покрытия или |
||
|
|
изоляции провода - для проволочной спиральной |
||
6 . |
|
катушки. |
|
|
РАСЧЁТ ДОБРОТНОСТИ ПЛОСКИХ КАТУШЕК ИНДУКТИВНОСТИ |
||||
В тонкопленочных катушках, в которых отношение толщины |
||||
пленки к |
глубине проникновения ВЧ токов менее |
0 ,1 , можно |
||
пренебречь поверхностный эффектом. |
выражению: |
|||
Добротность таких катушек рассчитываем по |
||||
|
|
еи£ |
■ |
( I .I 2 ) |
|
|
а = |
||
Представляя катушку двумя параллельными проводниками, получим
необходимую для вычисления |
величину собственной емкости |
катушки, т .е . |
|
Ск~С,(Л/-/)Ь.ф , п§, |
(І.ІЗ) |