книги из ГПНТБ / Микроминиатюризация высокочастотных радиоустройств
..pdf50
( Следует иметь в виду, что пленочные проводники обладают
относительно большим омическим сопротивлением на постоянном токе. На высоких частотах комплексное их сопротивление еще
более увеличивается за счёт того, что толщина нанесенной '
пленки много меньше глубины проникновения поля. И з-за этого,
как показали экспериментальные измерения, несколько увеличи вается индуктивность пленочного проводника по сравнению с ленточным проводником толщиной несколько десятков микрон.
L |
Индуктивность |
|
ленточного проводника |
[1 .2] |
|
Ü - I 5 ) |
||||||||
где |
= 2 e -f0 ~ p .3 fy -§ z $ + |
0 , 1 2 |
3 5 |
+ |
o s ) , мкГи J |
|||||||||
0 ,6, В |
|
-ш ирина, |
толщина, |
длина проводника |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
соответственно, |
мм. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
Для пленочных проводников ширина его много больше толщины. |
|||||||||||||
И з-за этого индуктивность тонкопленочного |
проводника возраста |
|||||||||||||
ет по сравнению с ленточным проводником той же ширины, |
но |
|||||||||||||
имеющего толщину, |
соизмеримую с |
шириной. |
|
|
|
|
||||||||
|
Экспериментально было определено, что при вычислении вели |
|||||||||||||
чины индуктивности тонкопленочных проводников в формуле |
( I .15) |
|||||||||||||
необходимо увеличить величину свободного члена на |
0 ,1 5 , |
чтобы |
||||||||||||
свести ошибку при расчётах с 5-10% до 1-2%. В результате |
||||||||||||||
получаем следующую'4( j , 3 |
уточненную5 + 2 , формулу3 e $: |
K |
c p |
+ |
( I .I 6 ) |
|||||||||
L = l ß iO |
ß |
- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
где |
■ кф/ - |
|
коэффициент формы пленочного проводника. |
|
||||||||||
|
В таблице |
|
1 .5 |
приведены расчётные |
(по формулам 1 .1 5 ,1 .1 6 ) |
и экспериментальные усредненные данные результатов измерений величины индуктивности тонкопленочных проводников, имеющих
51
следующие усредненные размеры: |
1 ,2 |
мм; |
№.2 — |
1,5 |
мы; |
||
а) |
ширина проводника № I |
- |
|||||
Ö) |
длина проводника № I |
- |
I I |
мы; |
Ій 2 - |
15 |
мы; |
в) |
толщина проводников 400-600 |
нм. |
Таблица |
1 .5 |
|
провод |
|
Индуктивность L , мкРН |
откл. от |
|
р а с - |
||||
|
ника |
|
рассчитанная |
по эксперименталъ- |
|
|||||
|
|
|
формулам |
ное |
среднее |
четного |
по |
|||
|
|
|
С І.І5 ? |
( І .І б ) |
значение |
формулам. |
% |
|||
|
I |
|
0,008 |
+6 |
( І.Іб ) |
|||||
|
|
0,0075 |
0,0079 |
+1,2 |
||||||
|
2 |
|
0,0106 |
0,011 |
0,0109 |
+3 |
-0 ,9 2 |
|||
|
Измерения проводили |
с помощью куметра Е9-5 на |
частотах |
|||||||
І0 5 -І0 7 |
МГц. Частота измерялась |
цифровым частотомером |
|
типа |
||||||
4 3 -4 . Из данных таблицы |
следует, |
что расхождение |
расчётных |
|||||||
по формуле( і .І б ) и |
экспериментальных данных не превосходит |
|||||||||
2%, |
чем подтверждается правомерность применения в уточненных |
|||||||||
расчётах |
формулы ( I . 1 6 ). |
|
|
|
|
|
|
|||
|
С целью оптимального выбора диаметра и материала соеди |
|||||||||
нительных проволочных проводников микросхем |
былиf |
проведены' |
экспериментальные исследования их ВЧ параметров |
(таб л .1 .6 ) . |
|
Из данных таб л .1 .6 сЛедует, что ВЧ параметры |
проволочных |
|
соединительных проводников слабо зависят от материала, а |
||
средняя |
погонная индуктивность проводников, имеющих диаметр |
|
0 ,0 5 -0 ,1 |
мм, приблизительно равна 0,011 мкГн на |
сантиметр |
длины. |
|
|
Материал |
ф , ММ |
Медь |
о . і |
Серебро |
‘ 0,05 |
Золото |
0,05 |
Золото |
о , і |
52
^,мм |
|
Таблица 1 .6 |
|||
|
і ,МКГН |
,0м |
L ,мкРн |
||
|
|
|
|
для 10мм |
|
10 |
п о |
0,011 |
0,37 |
длины |
|
78 |
0,01 |
||||
30 |
0,031 |
0,45 |
|||
38 |
70 |
0,043 |
0,65 |
0,012 |
|
10 |
107 |
0,012 |
0,39 |
||
36 |
70 |
0,044 |
0,76 |
0,012 |
|
10 |
107 |
0,012 |
0,41 |
||
30 |
81 |
0,029 |
0,39 |
0,01 |
|
10 |
107 |
0,01 |
0,27 |
53
Глава вторая. ГИБРИДНЫЕ ПЛЕНОЧНЫЕ КВАРЦЕВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
і . О ВЫБОРЕ СХЕМ ГИБРИДНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ .
Известно большое количество схем транзисторных генерато
ров гармонических колебаний, стабилизированных кварцем. Все многообразие этих схем может быть сведено к трем группам,
которые отличаются друг от друга функциями кварцевого резо натора и характером его полного сопротивления на генерируе
мой частоте. |
Различают |
схемы осцилляторные, с кварцем в це |
|
ли обратной |
связи и |
с |
затягиванием частоты. |
В осцилляторных |
схемах кварцевый резонатор является со |
ставной частью колебательной системы генератора. Полнон со противление кварца носит индуктивный характер. Отключение кварца, его короткое замыкание или замена емкостью приводит к срыву колебаний. Подключением к кварцу внешних реактивных сопротивлений изменяют генерируемую частоту в интервале час тот последовательного и параллельного резонансов.
В схемах с кварцем в цепи обратной связи кварцевый резо натор выполняет функции узкополосного фильтра. Условия само возбуждения выполняются вблизи частоты минимума или максиму ма полного сопротивления кварцевого резонатора.
В схемах с затягиванием частоты условие самовозбуждения выполняется без подключения кварца. Кварцевый резонатор вклю-
чаетоя в колебательную систему генератора как некий вторич ный контур с добротностью на несколько порядков выше доброт-
54
нооти основного контура генератора. При этом возможен эффект затягивания частоты. Эти схемы нашли ограниченное применение
в основном и з -за сложности их настройки и противоречия между
условиями максимальной стабильности чаототы и устойчивой ге нерации.
Иногда схемы кварцевых генераторов делят на схемы парал
лельного и последовательного резонансов.
Приведенная краткая классификация схем генераторов отра
жает принципиальные различия в использовании кварцевого ре зонатора как элемента стабилизации частоты.
Известно также несколько разновидностей схемных решений в
пределах каждой группы. Они отличаются друг от друга количе ством транзисторов и схемами их включения, возможностью за земления электродов транзисторов, кварцевого резонатора или других точек схемы, полярностью источников питания и т .д .
Методика электрических расчётов схем кварцевых генерато
ров, построенных на дискретных элементах, достаточно полно разработана и приводится в многочисленной литературе, напри
мер [2 .1 - 2 .4 ], Вопросы микроминиатюризации кварцевых генера торов на базе пленочных или полупроводниковых интегральных схем в литёратуре пока не нашли должного отражения.
Ограничения и требования, предъявляемые к принципиальным схемам устройств в гибридном пленочном исполнении, определя ются особенностями технологии и конструкции. Основными огра ничениями и требованиями являются следующие:
а) минимальное количество элементов схемы;
б) большие допуски величин параметров элементов;
55
в) ограничение параметров индуктивностей, емкостей и
сопротивлений по максимальным и минимальным величинам;
г) минимальная рассеиваемая мощность;
д) простота настройки микросхемы.
Исследования, проведенные с учётом этих требований, сопо
ставление схем по достижимой верхней предельной частоте и нестабильности частоты позволили сделать следующие выводы.
Гибридные пленочные генераторы на частоты от 5 МГц до
20 МГц целесообразно проектировать по осцилляторной "безын-
дуктивной" схеме с кварцем, работающим на основной частоте.
Гибридные пленочные генераторы на частоты от 20 МГц до
200 МГц целесообразно проектировать по схеме с общей базой
с кварцем в цепи обратной связи, работающим на нечетной гар монике.
2 . БУФЕРНЫЕ КАСКАДЫ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Для устранения влияния нагрузки на параметры кварцевого
генератора необходимо применять буферный каскад. Расчётами и экспериментальными исследованиями установлено, что в каче стве буферного каскада гибридных пленочных кварцевых генера
торов на частотах до 70 МГц целесообразно применять эмиттер-
ный повторитель. Использование эмиттерных повторителей на современных бескорпусных ВЧ транзисторах в указанном диапазо не частот дает положительный эффект.
Применение эмиттерного повторителя в области частот выше
70 МГц ограничено резким ухудшением его свойств. Известно,что с повышением частоты входное сопротивление каскада с общим
56
коллектором падает. Входное сопротивление становится отрица
тельным, если Rh L<— 4 6А, , где |
ъ Си - |
сопротив- |
-тгт |
|
|
h |
|
|
ление и емкость нагрузки соответственно; аА* - частота, на которой коэффициент усиления по току в схеме с общей базой уменьшается в і~2 раз.. При выполнении этого неравенства возникает опасность самовозбуждения каскада.
В качестве буферных каскадов кварцевых генераторов на частотах выше 70 МГц целесообразно применять резонансный усилитель с каскодным включением транзиоторов по схеме об щий эмиттер-общая б аза . Входное сопротивление такого усили теля равно приближенно входному сопротивлению схемы с общим эмиттером, и на частотах, близких к предельным частотам транзистора, составляет величину порядка 100 Ом. Применение каскодчой схемы в буферном усилителе не влечет за собой увеличения коэффициента шума.
3 . ВАРИАНТЫ КОМПОНОВКИ ГИБРИДНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ КВАРЦЕВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
При конструировании гибридных пленочных кварцевых гене раторов особое место занимает вопрос компоновки кварцевого резонатора и подложки микросхемы.
Возможны следующие варианты компоновки кварцевого резона тора и пленочной схемы:
а) в виде отдельного конструктивно законченного узла;
б) в качестве навесного элемента гибридной пленочной микросхемы;
в) в качестве подложки пленочной микросхемы.
57
Отечественной промышленностью выпускаются следующие типы
кварцевых резонаторов [2 .5 , |
2.6] в металлических |
герметизиро |
|||||||
ванных |
баллонах: |
|
|
частот |
до |
100 МГц, |
габаритные |
||
а) |
миниатюрные типа М для |
||||||||
|
.размеры 19,5x11x5 мм; |
|
|
|
|
|
|
||
б) малогабаритные типа |
Б для частот до 100 МГц, габарит |
||||||||
|
ные размеры 25,7x19,2x10 мм. |
в |
стеклянных баллонах: |
||||||
Вакуумные кварцевые резонаторы |
|||||||||
а) |
малогабаритные типа |
Э |
для частот до 100 МГц в |
|
|||||
б) |
баллоне диаметром 10,2 |
мм и длиной 39-87 мм; |
|
||||||
малогабаритные типа |
С |
для частот до 100 МГц в |
|
||||||
в) |
баллоне диаметром 19 мм и длиной 42-100 мм; |
|
|||||||
малогабаритные типа |
D |
для частот до 3 МГц в |
|
||||||
г) |
баллоне диаметром 22,5 |
мм и длиной 60-85 мм; |
|
||||||
нормального |
исполнения |
типа |
Ц |
|
для частот до 8 МГи |
||||
|
в баллоне диаметром 30 |
мм и длиной до 70 мм. |
|
||||||
В последние годы стали изготовлять резонаторы в микромо- |
|||||||||
дульном исполнении, |
в которых |
плотность |
монтажа кварцевых |
||||||
пластин достигает 14-15 шт/см^ |
Известны |
также кварцевые |
резо |
||||||
наторы , смонтированные в транзисторных |
корпусах типа ТО. |
• |
В случае применения кварцевого резонатора в виде автоном ного конструктивно законченного узла коэффициент заполнения объема конструкции получается сравнительно невысоким.
При использовании кварца как навесного элемента гибрид ной пленочной микросхемы для механического и электрического соединения их необходим специальный кварцедержатель. Одним из вариантов конструкции такого кварцедержателя может быть
58
следущ ий.
,В два отверстия на подложке, расположенные на расстоянии,
равном диаметру пьезоэлемента, |
вставляются |
две проволочные |
стойки, удерживающие кварцевую |
пластину параллельно подложке |
|
на расстоянии 1-3 мм. Надёжное |
механическое |
и низкоомное |
электрическо.е. соединение электродов пьезоэлемента со стойка ми обеспечивается применением токопроводящего клея. Сами проволочные стойки в отверстиях подложки микросхемы закреп ляются эпоксидным клеем. Выступающие со стороны пленочных элементов микросхемы концы стоек электрически соединяются со схемой с помощью пайки.
Недостаток такого способа крепления состоит в том, что для монтажа пьезоэлемента необходимо применять плату с от
верстиями для установки кварцедержателей. Известно, что сверление отверстий в хрупких материалах, из которых обычно изготовляются подложки для гибридных пленочных микросхем
(стекло, ситалл), существенно усложняет технологию микро
схем . Выполнение отверстий до напыления пленочных элементов накладывает требование точной установки подложки в подлож кодержателе. Выполнение отверстий после напыления пленочных элементов связано с большой вероятностью повреждения эле
ментов абразивным порошком или суспензией и с загрязнением микросхемы и , следовательно, с ухудшением её качества.
Возможна "пробивка" отверстий в подложках после напыле ния микросхемы лазерным лучом на специальных установках,
например "ЛУЧ-IM " . Однако реализация такого способа связана с увеличением стоимости оборудования.
59
Известно использование пластины кварпа в качестве пьезо элемента и подложки пленочной микросхемы. Однако такое кон структивное решение имеет ограниченное применение, так как при этом ухудшается стабильность частоты кварцевого генера тора, значительно усложняется технология микросхемы и резко возрастает трудоемкость настроечно-регулировочных работ.
4 . КОНСТРУКЦИЯ ГИБРИДНОГО КВАРЦЕВОГО ГЕНЕРАТОРА С ЛЕНТОЧНЫМ КВАРЦЕДЕРЖАТЕЛЕМ
Более совершенной конструкцией является гибридный пленоч ный кварцевый генератор с ленточным кварцедержателем. Приме нение ленточных кварцедержагелей позволяет уменьшить размеры конструкции кварцевого генератора, улучшить электрические характеристики и упростить технологию сборки.
Детали кварцедержателя выполняются из тонкого листового упругого токопроводящего материала. На концах они снабжены площадками для электрического и механического соединения с гибридной пленочной микросхемой и кварцевым пьезоэлементом,
атакже фиксаторами для установки кварцевого пьезоэлемента
взаданном положении.
Кварцедержатель и кварцевый пьезоэлемент располагаются
на подложке гибридной пленочной микросхемы со стороны пленоч ных элементов. Электрическое и механическое соединение квар цедержателя с гибридной пленочной микросхемой и кварцевым пьезоэлементом осуществляется с помощью токопроводящего клея.
На р и с .2 .1 показан один из вариантов конструкции |
гибрид |
ного пленочного кварцевого генератора. В него входят |
следую- |