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MMIC 簡介(上)

No.42   1996 July   p80~89,   by 林茂榮Paul Lin, BV5OC,P.O.Box 23-575 Changhua



    所謂 MMIC,就是 Monolithic Microwave Integrated Circuits 的縮寫,針對工作頻率越來越高的射頻發射機或是接收機的線路設計而言,MMIC 的確是讓無線電線路起了革命性的變化,它的影響力,就像是十幾年前低雜訊 GaAs FET 出現時,對射頻線路的影響程度般。究竟 MMIC 對射頻線路設計的影響程度如何呢?的確是很難估算出來,因為 MMIC 的應用領域正不斷地擴大中,可以說幾乎是每個月都有新的變化。尤其是目前 Phase 3D 的業餘無線電人造衛星計畫正如火如荼地展開,也許在今年夏季,這枚規劃了已經將近十年的業餘無線電人造衛星可以順利發射升空,到時候,或許你也可以利用本文所提到的技藝,來自製微波範圍的衛星通訊套件,而有了 MMIC 之後,可以使微波範圍的射頻線路,就會像是製作一般的電子線路一樣簡單。

    目前 Phase 3D 可以說是已經就緒,就等待機會發射升空,而這枚業餘無線電人造衛 星的通訊將帶來更加充實的業餘無線電通訊,尤其是 1.2GHz 及 2.4GHz 的通訊,這 些以往都限於區域性的通訊,透過衛星的詢答機,勢必引起空前的震撼,如果你也打 算投身於這前所未有的業餘通訊時代,就更需要這可以應用在微波範圍的 MMIC 常識。

    本文以深入淺出的方式,介紹 MMIC 在各種低位準射頻訊號放大的領域內所扮演的角 色,尤其是針對一般業餘無線電家所感興趣的主題下手,以便從可以自身體驗的主題 開始,以期能夠觸類旁通。


MMIC 簡介

    一般所應用到的 MMIC,長的都像是單晶的 IC 模樣,外表看起來就像是四隻腳的低功率電晶體,它的線路結構一般是採單級放大,少部份也有採雙級或是多級放大線路的,總之它很像是達靈頓晶體配對,而且已經包含偏壓的放大器線路,為了考慮到放大器的輸出入阻抗、增益大小、以及穩定度等綜合性能,MMIC 內含有串列及並列的回饋網路。MMIC 的外殼包裝,考慮到相容性及經濟性,除了特別講究性能者外,一般是採用像傳統臥式電晶體一樣的包裝方式。

    電子製造技藝的精進,不僅促成了 MMIC 工業的成熟,也造就了射頻單晶片包裝 IC 的繁榮景象。許多 IC 生產廠商更以實際行動向世人證明這一事實,例如他們把與 MMIC 製造技術有關的技藝,應用到製造一只 IC 可包括本地振盪線路、混頻器、及射頻前端放大線路在內的接收機基本架構,成功的 NE602 系列就是很好的例子。製造技術不斷成長精進,目前 MMIC 實用的頻率已經可以高達 18GHz 以上。

    本文要介紹的 MMIC 是以 MODAMP 所製造的為主,不過目前市面上相容性的產品也不少,包括有 NEC、SIEMENS、及 HP 等多家公司,都有生產 MMIC 應市。MODAMP 所生產的 MMIC 就是一種模組化的寬頻帶放大器,它的輸出入阻抗都是 50 歐姆。也有另一系列 MMIC,是一種需要外接回饋的放大器模組,這些放大器的頻寬有的可以高達 4GHz,至於 MMIC 在低頻部份的表現,通常都是受到線路上輸出入端所接用的去直流電容器的限制。

    通常一只 MMIC 可以直接代替以零散電子零件,如電晶體、電阻、電容等組成的放大器線路,不過後者可能需要一片不小的線路板來安放,而 MMIC,一般只相當於傳統的電晶體大小而已,因此所製作出的放大器,整個體積會大大地縮小了。也就是,MMIC 裝組時,把必要的輸出入腳拉出來之外,整個線路就縮小成晶片狀,以如黑豆型電晶體大小般的外殼包裝,不過,因為感抗性的元件、去耦合、以及電源偏壓旁路用的電容等零件體積相較之下是比較龐大,因此要利用 MMIC 做成一部放大器,所需要外加的零件,大概就只剩一些電感和電容而已。


典型的 MMIC 放大器線路

    我們可以把 MMIC 看成像是傳統的一般 IC,它的內部線路結構如圖 1 所示。類似這種結構的 MMIC,工作的頻率可以高達 4GHz,針對圖 1 線路而言,工作頻率應用範圍大小,需要斟酌的零件只有 C1、C2 及 RFC1。

Fig  1

    如圖 1 所示的線路,在虛線內的零件都包含在 MMIC 裡頭,標著 RA 及 RE 的電阻,分別是串列及並列回饋電阻,而加上 R1 及 R2,就可以設定每只電晶體的靜態工作點。

    一般標準的 MMIC,需要外加的 R3 電阻,才能完成放大器線路,而為了隔離 R3 與射頻路徑,通常會在 R3 路徑上串一只高頻扼流圈 RFC1。當然也有某些 MMIC 已經把 R3 包括在線路內,不過,RFC1 及 R3 以外加形式,對於 MMIC 的工作頻寬及增益的控制,更能靈活運用。

    為了讓 MMIC 有最大的增益及最大的功率輸出,必須慎選線路中的 RFC1 及 R3 值才行。也就是 RFC1 及 R3 必須組合成夠大的電抗才行,通常在工作的頻率上,這電抗值要高於輸出阻抗的十倍以上,也就是要 500 歐姆以上才行。通常 R3 可以使用碳膜電阻,而 RFC1 的選擇也很重要,去掉 RFC1 不用的話,放大器的增益可能會下降 1dB 以上,而且線路與電源之間就失去了射頻隔離的作用。

    通常可以利用下列公式來計算出合適的 R3 值:

    R3 = (Vcc-VMMIC)/IMMIC

    Vcc 是電源電壓,VMMIC 及 IMMIC 可以從 MMIC 的特性手冊查出。

    從上面的公式可以看得出來,供電電壓越高,R3 的阻值就越大。從 R3 阻值大,MMIC 的無謂負載就會越小這一觀點來看,R3 值高的話,可以提高 MMIC 的增益。除此之外,R3 也是線路中溫度補償的一個重要部份。因為一般來說,溫度越高,電晶體的貝它值 (Beta) 就越大,這也就是說,溫度升高,電晶體的集極電流會升高,而集極電流一升高,R3 上的壓降就會變大,這樣也就減少了 MMIC 的供電電壓,實際上,就是減小了集極電流,這樣就可以平衡溫度上升的效應。除此之外,R3 使用碳質電阻,因為這類電阻是負溫度係數 (也就是溫度上升,阻值下降),對於抵銷因溫度上升所出現的電流變大,有加強抵銷的效果。

    為了 MMIC 在溫度變化很大的範圍內還能有最理想的增益,廠商建議 R3 上至少要保持有 2 伏特的壓降。如果 MMIC 沒有經過 R3 而直接供電,當周圍溫度升到 100 攝氏度時,MMIC 可能會因為熱跑脫現象而燒毀。雖然在 MMIC 的規格說明書上,R3 上的電壓最好是 2 伏,不過設計時,7 伏以下還算是可以接受的範圍。

    除了 R3 需要費心計算安排之外,要利用 MMIC 完成放大器,還需要外加兩只零件,就是 C1 及 C2。選擇 C1 及 C2 的要訣是:要在工作頻率範圍內有比較低的電抗,其值要在數歐姆以下。當工作頻率在 VHF 或是 HF 範圍內,C1 及 C2 可以採用銀質雲母電容,但是當工作頻率超過 1GHz 以上時,就必須改用陶瓷電容。


MMIC 家族

    當初 AVANTEK 公司是以不同的性能,來把 MODAMP 一系列的 MMIC 做分類的,所以 AVANTEK 出品的 MMIC 的典型編號是 MSA-AABB-CD,關於這類編號的意義及性能,請參看表 1。

    至於 AVANTEK 公司的一系列 MMIC 外殼,可以參看圖 2,一般說來,塑膠材質的 04 外殼包裝,是最適合一般的商品等級及業餘無線電領域內使用,它的工作環境溫度範圍是零下 25 攝氏度到 75 攝氏度之間。


表一:各類 MMIC 的包裝及其特性

The Avantek MODAMP MMICs each have a part number like the following: MSA-AABB-CD. The part number gives some important information about the device.     Here's a guide to some characteristics of the various device families.

    The number designated by AA defines which MODAMP die is used.     The primary differences among the die types are maximum power output, gain and noise figure (NF).     The performance numbers given here are approximat and will vary with package style and frequency.     Presently there are six available types:

Type Characteristic
01 Low power (+1 dBm), high gain (18 db) and moderate NF (5 dB)
02 Medium power (+4 dBm), medium gain (10 dB) and moderate NF (6 dB)
03 High power (+10 dBm), medium gain (10 dB) and moderate NF (5.5 dB)
04 Highest power (up to +17 dBm), low gain (8dB) and moderate NF (6 dB)
07 similar to 02 except lower operating voltage and lower NF (4.5 dB)
08 Highest gain (30 dB at 100 MHz), medium power (+12 dBm) and low noise figure (3 dB)
(Note. This device is not unconditionally stable and care must be given to bias decoupling design.)

BB designates package configuration.     Presently there are five available package option.

Style Package Comments
04 Plastic 145-mil-diameter package, low cost; reduction in high-frequency performance
20 BeO 200-mil-square beryllium-oxide package (ceramic); excellent thermal conductivity for higher power applications
35 Micro-x 100-mil-square, economical glass-sealed package with excellent high-frequency performance
70 Stripline 70-mil-square, gold-plated package for "high rel" applications
85 Micro-plastic 85-mil-diameter, low-cost package with excellent high-frequency performance, similar to the micro-x package
86 Surface-mount Version of 85 package with leads formed for surface-mounting technique; decreased high-frequency performance
Fig  2

    MICRO-X 的 35 號包裝,原本就是微波電晶體的工業標準包裝,這是一種氣密式的包裝,工作的環境溫度也更廣,從零下 55 攝氏度到 125 攝氏度之間。因為 MICRO-X 的包裝,寄生現象遠比 04 包裝小,因此射頻的性能也改善了許多,MICRO-X 包裝通常工作頻率可以高達 2GHz。後來 AVANTEK 公司針對 04 包裝的輕巧與經濟的良好特性,及 MICRO-X 35 包裝的低寄生現象的優點,而創新了 85 包裝。

    通常對於耐熱與散熱的能力,我們都用熱阻來表示,單位是攝氏度/瓦,04 包裝的熱阻是 200 攝氏度/瓦,而 MICRO-X 35 包裝則是 140 攝氏度/瓦,而 5 號包裝的熱阻是 150 攝氏度 / 瓦。85 包裝與 04 包裝的 MMIC 價格相近,前者稍貴一些,MICRO-X 35 包裝則貴了約 1 倍。

    在很惡劣的工作環境下,就必須改選用軍規,AVANTEK 有 20 及 70 編號的包裝,就是軍規品,此類 MMIC 的熱阻是 65 攝氏度/瓦,從熱阻大小可以看出,軍規的 MMIC 可以耐更大的功率,當然也就可以有更大的輸出功率。不過這類的 MMIC 單價比起一般的 04 包裝貴了約 10 倍,因此不適合一般應用領域採用。

    另外還有一種編號 86 的包裝,不過相信這是一般人都很少見的,因為它是專為 SMT 用途而設計的,而且使用它時,必須採用陶瓷線路板,才有夠大的散熱能力。

    綜合上述的包裝說明,一般用途或是業餘無線電用途,採用的可能是 04、35、或是 85 包裝,一方面是這種包裝的 MMIC 比較便宜,而且也容易零購。


如何製造 MMIC

    其實 MMIC 的製作流程,很像是製造傳統的矽質電晶體,但是以往為什麼沒有 MMIC 呢?當然最主要的是有些主要的製造技藝無法突破,所以直到最近才有辦法製造 MMIC。例如氮化物自我排列的技藝成熟、離子植入的技巧提昇,才有辦法做很精確的摻雜控制,只有藉著這類技術,才能保證製作 MMIC 晶片的成功率。氮化物的惰性,使得製作過程當中不會有氧化作用,而增加了可靠性。同時適合頻率極高時使用的薄膜電阻,也一併在製作 MMIC 時一起製造在晶片內,這樣因為零件幾乎無接線,使感抗降到最低,從而讓 MMIC 的高頻特性更優越,也因為這樣,MMIC 的產量日增,成本因而降低,價格也自然地慢慢降下來。


MMIC 的性能

    MMIC 分類繁多,因此明明知道如何應用,卻很難決定選用哪一種 IC。參看表 2 到表 4,我們把 MMIC 分門別類整理出來。表中特別針對一般的增益大小,及 1dB 壓縮點排列出來。這些資料是從廠商的資料手冊選出來的,特別適用在業餘無線電的頻率範圍,及適用於可以連續開機的環境工作中使用。


表二:04 編號的 MMIC 的特性


Type      Frequency (MHz)
(MSA-)      30    50   144   220   432   902  1296  2304  3456
0104        19    19    19    18    17    14    12     9     5  dB Gain
            +8    +8    +7    +6    +4     *     *     *     *  dBm P1dB
0204        13    13    13    13    12    11    10     8     6  dB Gain
           >+7   >+7   >+7   >+7    +7    +5    +4    +2     *  dBm P1dB
0404         8     8     8     8     8     8     7     5     5  dB Gain
          >+13  >+13  >+13  >+13  >+13   +13   +13   +13     *  dBm P1dB

For cascaded 04 Type Devices:
02/03       26    26    26    26    24    22    20    16    12  dB Gain
          >+13  >+13  >+13  >+13   +13   +11   +10    +5     *  dBm P1dB
02/03/04    34    34    34    34    32    30    28    **    17  dB Gain
          >+13  >+13  >+13  >+13   +13   +13   +13    **     *  dBm P1dB
03/04/04   ***   ***   ***   ***   ***   ***   ***    22    16  dB Gain
           ***   ***   ***   ***   ***   ***   ***   +13     *  dBm P1dB

For Four 0404 Devices in Parallel:
4-0404    >+19  >+19  >+19  >+19  >+19  >+19  >+19  >+19     *  dBm P1dB
* Not specified.
** Not recommanded for 2304 MHz because of compression of the 03 stage.
*** Not analyzed.
Note: this information was obtained from Avantek data and represent typical performance at the current specified for continuous operation.


表三:35 編號的 MMIC 的特性


Type    Frequency (MHz)
(MSA-)   902    1296    2304    3456
0135      17      15      11       9    dB Gain
           *       *       *       *    dBm P1dB
0235      12      11      10       8    dB Gain
         +11      +9      +6       *    dBm P1dB
0335      12      12      10       7    dB Gain
         +12     +10      +6       *    dBm P1dB
0435       8       8       7       5    dB Gain
         +12     +10      +6      +5    dBm P1dB
0835      24      20      15      12    dB Gain
         +13     +14     +12     +10    dBm P1dB
* Not specified.
Note: this information was obtained from Avantek data and represent typical performance at the current specified for continuous operation.

    從資料中可以看出來,一般大眾適合採用 MSA-0104 及 MSA-0404 的塑料包裝 MMIC,參看表 2,應用時,為了提高輸出功率或增大增益,一般 MMIC 需要串接或並接使用,所以表中也列有適合串、並接的各種組合。

    表 3 所列的是 MICRO-X 的 35 型包裝的 MMIC 性能,表中並且和表 2 所列的 MMIC 做比較,35 型的微波標準工業包裝,經實作證明,可以工作到 2GHz 以上,因此 1.2GHz 的業餘無線電應用,最好也是採用 35 型包裝的 MMIC。

    表 4 是 85 型包裝,此型包裝的 MMIC 是在價格與性能妥協下的產物,我們可以從表中看出,當頻率高於 900MHz 時,85 型包裝比 04 型包裝的增益高出約 1 到 2dB 左右,而 85 型包裝在 900MHz 時的增益也與 35 型包裝不相上下,因此以經濟眼光來衡量,自然要選用 85 型包裝,但是 35 型包裝的 MMIC,在更高頻率上,還是比 85 型包裝更勝一籌的。

    一般而言,MMIC 的輸出端不論是 50 歐姆或是 75 歐姆系統,駐波比都小於 2:1,在雜音指數方面,從 01 編號到 04 編號,約從 5~7.5dB 不等,其中 01 編號最小,約 5dB。而 08 編號的一系列 MMIC,因為內部的回饋量最小,因此雜音指數最低,即使到了 3 或 4GHz,也只有 3~4dB 左右。同時 08 編號的 MMIC 也是增益最大的,不過拿這枚 MMIC 製作放大器,在安排線路板佈線時一定要注意,同時計算偏壓供電網路上的零件時更要注意,因為它會呈現非常不穩定的狀態,關於實務上如何注意這些細節,下面另有詳細說明。


表四:85 編號的 MMIC 的特性


Type    Frequency (MHz)
(MSA-)    30    50   144   220   432   902  1296  2304  3456
0185      18    18    18    17    17    15    14    10     7  dB Gain
         >+7   >+7    +7    +5    +4    +3    +2     *     *  dBm P1dB
0285      12    12    12    12    12    12    11    10     8  dB Gain
         >+9   >+9    +9    +7    +5    +5    +5     *     *  dBm P1dB
5385      12    12    12    12    12    12    11    10     7  dB Gain
0486       8     8     8     8     8     8     8     7     6  dB Gain
* Not specified.
Note: this information was obtained from Avantek data and represent typical performance at the current specified for continuous operation.



MMIC 應用

    MMIC 的應用其實很廣,幾乎可以不用介紹,舉凡發射機或接收機的射頻與中頻線路 都可以應用。由於 MMIC 的工作頻寬大,又不需要輸出入調諧線路,除了 MMIC 外, 只要極少的零件,就可以很簡單又快速地製造出放大器,而且體積也可以縮得很小。

    至於在測試儀器或其他系統方面,MMIC 可以扮演寬頻帶放大器的角色,例如在示波器或是計頻儀輸入端,要是碰到太弱的訊號,就可以使用 MMIC 做放大。在接收機方面,MMIC 可以很方便做成射頻或是中頻放大,當雜音指數要求不高時,甚至可以拿來當作射頻前端放大線路。在發射機應用方面,舉凡輸出功率在 50 毫瓦以下各種線路,都可以使用 MMIC。


實際的製作

    下面要談的實做部份,舉出了一些運用 MMIC 組成的放大器,不論是要拿它做實際的應用,或只是拿它當作實驗,以便了解 MMIC 的特性都可以。這些線路包括有單級的 MMIC 及幾種串接組成的放大器線路。

    因為利用 MMIC 製作放大器所需的零件不多,所以就算有好幾個放大器要製作,蒐集零件的工作很快就緒,花費也不大。

    首先從表 2 到表 4 之間的 MMIC 特性資料內,就工作頻率範圍及輸出功率,挑選出 最適合所需的 MMIC。如果一時還選不出頭緒,建議暫時以 85 型包裝的 MMIC,因為 這是一種妥協下的產物,相信在價格上及性能上,都能滿足一般的需要。

    也要準備一些漆包線,來繞製射頻扼流圈,24 號或是 26 號的漆包線都可以;至於供電偏壓網路用的電阻,需要 1/2 瓦或是 1/4 瓦的碳質電阻,阻值要備有 400 歐姆以下的各種標準值電阻。而 MMIC 放大器也需要一些電容作為旁路及去直流用的電容。去直流用的電容可以選擇銀質雲母電容,或是陶瓷電容,但這比較適合在 300MHz 以下的頻率使用,超過了這頻率之後,必須要使用陶瓷晶片電容。最後也要針對與外界連接所使用的頭端是哪一種,來決定使用的端子,我個人偏好使用 SMA,這種接頭體積小,而且在頻率 900MHz 以上時表現還很好。SMA 端子的頻率特性良好,體積小巧,因此我實驗時,常拿來作為標準的接線端子。

    完成後當然需要物色一合適的外殼來包裝,不待我講,這外殼需要金屬質的才可以,另外我發現有一種萬用盒,是塑膠外殼,但內層像是噴墨,有很好的導電特性,試用之後,至今未發現有任何問題。


簡單的 VHF 放大器

Fig  3
Fig  4
Fig 14
Fig  5
Fig  6

    參看圖 3 線路,利用 MSA-0204 及 MSA-0304 串接成一簡單的 VHF 放大器,C1 到 C7 都是普通的銀質雲母電容,也可以使用小型的陶瓷電容。參看線路內,可以發現 旁路是使用 0.1uF 及 0.001uF 兩只電容,這是因為 MMIC 在低頻的增益很大,為了 防止產生振盪所做的措施。完成的線路參看圖 4。

    R1 及 R2 都是碳質電阻,其阻值大小依使用的 MMIC 種類而定,表 5 是使用 +12 伏供電時各種 MMIC 使用的偏壓電阻值。這些阻值都是假設 MMIC 是在連續工作的情況下所耗的電流大小而計算出來的。如果使用的供電電壓不一樣,就必須根據前面提過的公式自行計算。在這線路內,沒有使用到扼流圈。

    我實驗時,製作了兩部簡單的 VHF 放大器,一部是利用銅箔片整片接地,零件以浮接的方式製作,另一種方式是以雙面線路板做接地面,同樣也是以浮接方式製作,不過以線路板製作時,零件的擺放比較講究,參看圖 5。製作完成之後,圖 6 就是這兩放大器的增益曲線,可以看出來兩種在 1GHz 內都還有實用的增益,這是利用網路分析儀測出的,A 曲線是以銅箔片製作的放大器,這放大器內的零件接腳留得比較長,而 B 曲線是使用雙面板製作的那一放大器,從中可以看出零件接腳對高頻特性的影響。

    為了更清楚了解在 3 ~ 30MHz 高頻範圍內的特性,我們以逐點採樣的方式來測試這放大器,參看表 6 是測試結果,從中可以看出來,這 VHF 放大器的 0.001uF 去直流電容在 7MHz 開始影響到放大器的特性,因此為了改善低頻的特性,去直流電容要從 0.001uF 改成 0.1uF。換下來之後,頻率可以低到 100KHz,增益才有 1dB 的下降。但是使用了 0.1uF 之後,可能因為電容的寄生現象而會影響 50MHz 以上的特性,參看圖 12 及圖 13,這分別是單只 MMIC 及串連 MMIC 在高頻範圍內的表現,為了測試 MMIC 在這方面的表現,特別製作了圖 14 及圖 15 所示的放大器,分別是由單只及兩只 MMIC 串連而成的放大器。

    雖然是簡簡單單的一只放大器,光是在業餘無線電領域內,就有不少的應用,例如,可以做接收機或是變頻器的中頻放大器,甚至是雜音指數表的放大器。以 0204/0304 串接組成的放大器,在 1GHz 以下時,雜音指數在 6dB 以下,而輸出的 1dB 壓縮點也在 +10dBm 以上。


表五:使用 +12 伏特供電時各種 MMIC 使用的偏壓電阻值


 Type
 (MSA-)  (mA)     (Ohms)    (watts)
 0104    20       330       0.13
 0204    30       220       0.20
 0304    40       180       0.29
 0404    50       130       0.33
 0135    22       270       0.13
 0235    40       150       0.24
 0335    50       120       0.30
 0435    50       130       0.33
 0835    35       120       0.15
 0185    17       410       0.12
 0285    25       280       0.18
 0385    35       200       0.25
 0485    50       140       0.35
(ma): Optimum Current
(Ohms): Resistor Value for Vcc=12V dc
(watts): Resistor Dissipation


表六:為了了解在高頻內 MMIC 的特性,以逐點採樣的方式來測試這放大器


  With 0.001uF Blocking Capacitors:
  Frequency(MHz)  Gain(dB)
  28              21.4
  7               20.6
  3.5             19.0
  1.2             19.0

  With 0.1uF Blocking Capacitors:
  Frequency(MHz)  Gain(dB)
  28              21.7
  7               21.4
  3.5             21.5
  1.2             22.0

Fig 12
Fig 13



超過 300MHz 以上時,如何應用 MMIC

Fig  7

    為了瞭解及評估在 900MHz 以上時,MMIC 放大器的增益能有多大,就必須用到線路板的「微條」 (MICROSTRIP) 技巧,參看圖 7,這是線路板的斷面圖。所謂「微條」,就是利用線路板上的銅箔拿來做傳輸線或是阻抗匹配及電感等元件。而微條的阻抗特性,與銅箔的厚度、線條的寬度、線路板的厚度 (其實是線條與接地面的距離)、及線路板的介電常數有關。

    微條線路板的製作方法,可以用傳統的腐蝕方式,也可以利用彫刻的方式,也就是使用美工刀在雙面板上施工。製作微條時,若是頻率在 2GHz 以下,使用玻璃纖維板就可以。

    利用微條製作的一部放大器,其線路圖、微條製作、及零件擺放,請參看圖 8、9。一般 0.062 英吋的玻璃纖維雙面板,其介電常數是 5.0,這樣要有 50 歐姆特性的微條所需的銅箔寬度是 0.25 公分,因為我們採用 MMIC 製作放大器,所以訊號路徑的損失不會造成問題,甚至頻率高達 4GHz 也不會有問題。

Fig  8
Fig  9

Fig 10

    在這適用於 UHF 以上的放大器線路內,電容是使用晶片電容,這樣在頻率高過 1GHz 以上時,才能有正常的增益。銲接晶片電容時,要記得烙鐵的功率不得超過 15 瓦,以防意外地剝落掉晶片電容上的金屬環。

    RFC1 及 RFC2 扼流圈是使用 26 號或是 28 號漆包線繞製的,這扼流圈對 UHF 以上的頻率而言是一種極大的感抗,低頻時,扼流圈的感抗小,並起不了很大的作用。頻率很低時,R1 及 R2 可以看成是負載。

    旁路用的電容與一般傳統 VHF 放大器沒兩樣。0.1uF 的電容可以防止低頻振盪。而在串接的放大器當中,每只 MMIC 都要確實旁路,要提醒的是,MMIC,尤其是 01 及 08 編號系列,在低頻都有極大的增益,如果供電偏壓的去耦合做的不夠好,這偏壓網路就會造成回饋。如果以供電去耦合方式無法防止低頻振盪,可以試著在電源與偏壓電阻之間串用扼流圈。

    我選用了不同的 MMIC 組合,包括有 (1)1104 推動 1104;(2)0204 推動 0304;(3)0404 推動 0404。這些組合而成的放大器增益如表 7 所示。


表七:各類 MMIC 組成放大器的增益特性


  MMICs Use    Frequency  Gain
  (MSA-)       (MHz)      (dB)
  0104/0104    500        30.42
               900        28.07
               1300       24.75
               2300       16.65
               3400       11.25
               4000        7.15
  0204/0304    500        22.70
               900        21.52
               1300       19.50
               2300       14.40
               3400       10.00
               4000        8.49
  0404/0404    500        14.45
               900        14.48
               1300       12.46
               2300       10.80
               3400        6.65
               4000        5.79

    利用微條線路板,以 02/03 組合的放大器,遠比前頭簡單的 VHF 放大器好了很多,這當然是因為微條本身的 50 歐姆阻抗與 MMIC 的輸出入阻抗相匹配。實作時,一般增益都比資料說明上的低些,也許是使用玻璃纖維板的關係。因此要是想提高在 2GHz 以上的增益,就必須注意線路板材料的訊號損失,如果採用 0.031 英吋厚的線路板,材質的介電係數是 2.17,那麼 50 歐姆阻抗的微條,就是寬度 0.1 英吋的銅箔;如果線路板的厚度增加一倍為 0.062 英吋,那麼微條的寬度可以增大到 0.2 英吋。

    另一方面,也許兩只 MMIC 之間的不匹配也可能使增益降低,例如前只 MMIC 的輸入不匹配,或者是前只 MMIC 的輸出與後只 MMIC 的輸入不匹配,甚至是後只 MMIC 的負載不匹配。尤其是這不匹配情形,頻率越高會越嚴重,所影響的增益也就越大。

    以 0104/0104 組成的放大器,在雜音指數方面,頻率 1296MHz 時是 4.7dB, 2304MHz 時是 5.3dB。1dB 壓縮點方面,02/03 組合的放大器是 +10dBm/1296MHz,+5dBm/2304 MHz,而 04/04 組合的壓縮點值是 +13dBm/1296MHz,+12dBm/2304 MHz。如果想要多得一些增益,可以考慮使用 85 編號的 MMIC。


高增益低雜訊的 MMIC 放大器

    同樣是使用微條板,以 MSA-0835 MMIC 製作單級放大器,因為這一系列的 MMIC 比較不穩定,因此設計線路時要特別注意細節,為了有比較低的雜音指數,要讓電流在 25 毫安培最佳,這時候,電源偏壓電阻就要採用 200 歐姆。

    射頻扼流圈是使用 28 號漆包線繞兩圈,內徑是 0.125 英吋,當這兩圈的扼流圈加在電源與偏壓電阻之間,不但對線路的穩定性毫無影響,而且在 500MHz 與 2500MHz 之間,可以明顯地看出來增益上升了一些。為了實驗目的,當把扼流圈的圈數增加時,增益可以提昇更大一些,但是超過 6 圈之後,可以隱隱約約看出線路開始有了不穩定的徵兆。所以考慮到線路的穩定性及增加增益,便用 2 圈的扼流圈算是明智之舉。不過為了整體線路的穩定性,要把電阻的感抗算進去,也許有必要把扼流圈去掉,才能保證線路的穩定。 Fig 11

    扼流圈使用的圈數是 2 圈與 4 圈時,放大器的增益曲線如圖 11 所示,當頻率是 500MHz 時,增益是 24dB,而頻率升到 3500MHz 時,增益掉到 9dB。再高的頻率並沒有實測。而在 2300MHz 時增益也有 13dB,雜音指數是 4dB,這對於使用一般玻璃織維線路板製作的放大器,成績算是不錯了。下次我們打算介紹如何把 MMIC 拿做並聯使用,以增加輸出功率,並且把重點放在實作時應注意事項,同時也包括有增益、雜音指數、及 1dB 壓縮點等性能的表現,同時也詳細討論如何設計這類的線路。


特別服務

    為了有興趣做 MMIC 線路實驗或是實際應用的朋友提供方便,本人特別提供需要少量的使用者,提供的是 MODAMP 所製造的 MMIC。其特點是 50 歐姆或是 75 歐姆系統均可使用,3dB 頻寬可以達到 1.3GHz,1dB 壓縮點高達 17.5dBm,典型的增益在 500MHz 時是 12dB,此時的 NF 是 3.6dB,可以說是非常實用的一枚 MMIC,每枚100 元,5 枚 400 元,每枚均有獨立的抗靜電包裝。 END



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