Substrato IC - Scoprire il mistero dei trasformatori RF: introduzione alla teoria, alla tecnologia e alle applicazioni

Essenzialmente, un trasformatore è solo due o più cicli conduttivi collegati da un campo magnetico a induzione reciproca. Quando nel nucleo magnetico viene generato un flusso magnetico mutevole, la corrente alternata che scorre attraverso un percorso conduttivo induce corrente nell'altro percorso conduttivo. La corrente indotta è proporzionale al rapporto della quantità di accoppiamento magnetico tra i due cicli conduttivi. Il rapporto dell'accoppiamento magnetico tra il ciclo conduttivo e il nucleo magnetico determina la tensione indotta nel ciclo conduttivo aggiuntivo, fornendo così la trasformazione dell'impedenza e l'aumento o la diminuzione della tensione. Aggiungendo il maggior numero possibile di cicli conduttivi aggiuntivi con coefficienti di accoppiamento diversi, è possibile ottenere varie funzioni. Questo è il motivo per cui il trasformatore RF è un dispositivo vario e versatile ed è ampiamente utilizzato nell'intera industria RF / microonde.

Un comune trasformatore di radiofrequenza è costituito da due o più fili diversi avvolti su un nucleo magnetico (o un nucleo di aria ad alte frequenze), motivo per cui i trasformatori di radiofrequenza sono spesso descritti come il rapporto di avvolgimenti o giri. I trasformatori RF possono essere utilizzati in una varietà di applicazioni, perché la natura dell'apparecchiatura consente diverse configurazioni per raggiungere diverse funzioni, tra cui:

• Fornire trasformazione di impedenza per corrispondenza di impedenza.

• Aumentare o diminuire la tensione o la corrente.

• Efficiente accoppiamento tra circuiti bilanciati e sbilanciati.

• Enhanced common mode rejection.

• Fornire isolamento DC tra i circuiti.

Iniettare corrente continua.

Diverse tecnologie comuni utilizzate per costruire trasformatori includono cavi di nucleo, linee di trasmissione, ceramica co-alimentata a bassa temperatura (LTCC) e MMIC. Ogni prodotto e confezione diversa ha una serie di indicatori di prestazione.

Teoria del trasformatoreSebbene il modello ideale del trasformatore non sia realistico per applicazioni pratiche, può illustrare le prestazioni di base del trasformatore (come mostrato nella Figura 1). Le porte 1 e 2 sono l'ingresso dell'avvolgimento primario e le porte 3 e 4 sono l'uscita dell'avvolgimento secondario. Secondo la legge di Faraday, la corrente che passa attraverso l'avvolgimento primario genera flusso magnetico attraverso il campo magnetico reciproco della corrente e della tensione nell'avvolgimento secondario. La corrente e la tensione generate sono proporzionali al rapporto tra l'avvolgimento o l'accoppiamento magnetico tra l'avvolgimento e il nucleo di ferro. Pertanto, l'impedenza secondaria è una funzione del rapporto di avvolgimento quadrato moltiplicato per l'impedenza primaria. Questa relazione può essere descritta con la seguente formula:

Tra questi, I1, V1 e Z1 sono la corrente, la tensione e l'impedenza attraverso l'avvolgimento primario; I2, V2 e Z2 sono la corrente, la tensione e l'impedenza attraverso l'avvolgimento secondario; N1 è il numero di giri dell'avvolgimento primario; N2 è il numero di giri dell'avvolgimento secondario .

Un vero e proprio trasformatore include molteplici resistenze parassitarie, induttanze e capacità, tra cui capacità mutua e capacità auto-parassitaria. La figura 2 mostra un modello nodulo di un trasformatore RF non ideale, che descrive la resistenza parassitaria e l'induttanza dei due avvolgimenti, così come la perdita di resistenza del nucleo di ferro e l'induttanza effettiva degli avvolgimenti. Gli effetti parassitici fanno sì che il trasformatore effettivo funzioni in una larghezza di banda limitata, con perdita di inserzione e capacità limitate di gestione della potenza (come mostrato in Figura 3). Le prestazioni del trasformatore dipendono anche da frequenza, temperatura e potenza.

La frequenza di taglio a bassa frequenza del trasformatore di radiofrequenza effettivo è determinata dall'induttanza attiva dell'avvolgimento e la frequenza di taglio ad alta frequenza è determinata dalla capacità tra gli avvolgimenti e gli avvolgimenti. La perdita di inserimento nella larghezza di banda operativa è il prodotto della perdita di resistenza nell'avvolgimento primario e nell'avvolgimento secondario e della perdita nel nucleo. Poiché la perdita di resistenza è spesso una funzione della frequenza e della temperatura, la larghezza di banda effettiva di lavoro del trasformatore è limitata da questi fattori. A causa dell'accoppiamento magnetico incompleto tra gli avvolgimenti, diversi tipi di trasformatori RF introdurranno induttanza di perdita. Poiché la reattività dell'induttanza di perdita è proporzionale alla frequenza, questi effetti parassitari ridurranno la perdita di ritorno alle alte frequenze e aumenteranno la perdita di inserzione alle basse frequenze. Topologie di trasformatori a radiofrequenza più complesse, come trasformatori con avvolgimenti multipli, rubinetti e altri componenti, mostreranno prestazioni variabili a seconda della topologia e della struttura del trasformatore. Ad esempio, un tipo di apparecchiatura a radiofrequenza chiamata balun viene utilizzato per interconnettere efficacemente un circuito bilanciato (cioè, segnale differenziale) ad un circuito sbilanciato (cioè, segnale singolo) attraverso la trasformazione di impedenza, che può essere raggiunto da un trasformatore di radiofrequenza. Un altro dispositivo simile a un balun è chiamato balun, che viene utilizzato per interconnettere circuiti di radiofrequenza sbilanciati. Può essere realizzato anche da un trasformatore di radiofrequenza. Un balun comune formato da un trasformatore è un balun accoppiato a flusso, che costruisce un lato dell'avvolgimento primario avvolgendo un filo separato intorno ad un nucleo magnetico e mettendolo a terra. Il segnale a radiofrequenza monoterminale che entra nell'avvolgimento primario sbilanciato subisce la trasformazione di impedenza ed è emesso come segnale differenziale (cioè bilanciato) attraverso l'avvolgimento secondario. I trasformatori RF che includono nuclei di ferro non magnetici (solitamente ferromagnetici) hanno alcuni svantaggi. L'induttanza magnetizzante del nucleo di ferro limita le prestazioni del trasformatore a bassa frequenza. L'induttanza è una funzione della permeabilità del nucleo, dell'area della sezione trasversale e del numero di avvolgimenti intorno al nucleo. L'induttanza magnetizzante aumenta la perdita di inserzione a bassa frequenza e riduce la perdita di ritorno. La permeabilità del nucleo di ferro è anche una funzione della temperatura. La permeabilità che aumenta con la temperatura aumenta la perdita di inserzione a bassa frequenza.

Tecnologia dei trasformatori RF I due tipi principali di trasformatori a radiofrequenza discreti sono il tipo di nucleo e il tipo di linea di trasmissione. Inoltre, LTCC e MMIC sono due progetti comuni di trasformatori sottili e compatti.

Trasformatore di radiofrequenza tipo filo centrale

I trasformatori di tipo core sono realizzati avvolgendo fili conduttivi (solitamente fili di rame isolati) su un nucleo magnetico (come un anello). Ci possono essere uno o più avvolgimenti secondari, o possono essere toccati al centro per funzioni aggiuntive. La figura 4 mostra un trasformatore a radiofrequenza costituito da un nucleo toroidale e da avvolgimenti isolati in filo di rame. A causa dell'accoppiamento induttivo tra il filo e il nucleo magnetico, un trasformatore di nucleo di piccole dimensioni dovrebbe funzionare ad una frequenza più elevata di un trasformatore di nucleo di grandi dimensioni. Tuttavia, la dimensione più piccola del trasformatore compatto aumenta la perdita di resistenza degli avvolgimenti e dei nuclei, con conseguente maggiore perdita di inserimento a frequenze più basse.

Trasformatore RF tipo linea di trasmissione

La topologia del trasformatore della linea di trasmissione comprende linee di trasmissione progettate con precisione che si trovano tra due carichi non abbinati o sono complesse disposizioni di più linee di trasmissione. Ad esempio, la lunghezza della linea di trasmissione può essere utilizzata per ottenere la trasformazione dell'impedenza tra due carichi non abbinati. Alcuni trasformatori di linea di trasmissione utilizzano fili isolati avvolti intorno ad un nucleo in ferrite, che sono molto simili ai trasformatori tipici di filo-core e sono solitamente considerati trasformatori di tipo core.

Il trasformatore di linea di trasmissione di base è costituito da due linee di trasmissione conduttrici. Il primo conduttore è collegato dal generatore al carico e l'altro conduttore è collegato alla terra all'estremità di uscita della prima linea di trasmissione (come mostrato in Figura 5). Con questa configurazione, la corrente che scorre attraverso il carico è il doppio della corrente che scorre attraverso il generatore e V0 è la metà della tensione V1. Pertanto, la resistenza al carico è solo un quarto della resistenza vista sul lato generatore, con conseguente trasformatore 1:4, come mostrato nella seguente equazione:

La versione comune del trasformatore della linea di trasmissione è una linea di trasmissione di quarto d'onda. Questa topologia utilizza una linea di trasmissione con una caratteristica impedenza che rende possibile la corrispondenza di impedenza tra l'impedenza in ingresso e il carico. La lunghezza del trasformatore a quarto d'onda è determinata dalla frequenza di funzionamento e la larghezza di banda è limitata a un'ottava intorno alla frequenza centrale. Si consideri una linea di trasmissione senza perdita con impedenza caratteristica Z0 e lunghezza L, collegata tra l'impedenza in ingresso Zin e l'impedenza di carico ZL (come mostrato nella figura 6). Per abbinare Zin a ZL, l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione a quarto d'onda Z0 è determinata dalla seguente formula:

Un vantaggio del trasformatore della linea di trasmissione è che c'è una grande capacità e induttanza di perdita tra gli avvolgimenti. Rispetto al tipo di cavo centrale, produce una larghezza di banda operativa più ampia.

Trasformatore LTCC

I trasformatori LTCC sono dispositivi multistrato realizzati utilizzando substrati ceramici. I trasformatori LTCC utilizzano linee accoppiate come linee di trasmissione per ottenere la conversione dell'impedenza e la conversione del segnale da single-end a bilanciato. I trasformatori LTCC si basano sull'accoppiamento capacitivo, in modo che i trasformatori LTCC possano lavorare a frequenze più elevate rispetto ai trasformatori ferromagnetici. Tuttavia, ciò può causare il degrado delle prestazioni a bassa frequenza. Un vantaggio della tecnologia LTCC è la capacità di produrre trasformatori piccoli e robusti, ideali per applicazioni ad alta affidabilità (come mostrato nella Figura 7).

Trasformatore MMIC

Come i trasformatori LTCC, anche i trasformatori MMIC sono realizzati con substrati 2D con una precisa metallizzazione planare stratificata. Generalmente, i trasformatori MMIC sono fabbricati utilizzando induttori a spirale, che sono stampati su un substrato con due linee di trasmissione e le linee sono parallele. Il processo di dispositivo passivo integrato GaAs può essere utilizzato per produrre trasformatori MMIC (come mostrato nella Figura 8). La litografia di precisione aiuta a raggiungere un'eccellente ripetibilità, prestazioni ad alta frequenza e un'eccellente efficienza termica.

Funzione e applicazione del trasformatorLe diverse funzioni del trasformatore RF dipendono dalla sua topologia:

Abbinamento-Il trasformatore può abbinare due circuiti con impedenze diverse, o fornire un step-up o step-down della tensione di alimentazione. Nei circuiti a radiofrequenza, i disallineamenti di impedenza tra due nodi possono causare una trasmissione di potenza ridotta e problemi di riflessione. Il trasformatore di corrispondenza dell'impedenza elimina efficacemente i riflessi e fornisce la massima trasmissione di potenza tra i due nodi del circuito (come mostrato in Figura 9).

Il convertitore Balun e non bilanciato (Balun) viene utilizzato per collegare le parti bilanciate e sbilanciate del circuito. Per linee sbilanciate, un autotrasformatore (trasformatore) può essere configurato per la corrispondenza dell'impedenza, cioè unun.

I trasformatori RF di iniezione e isolamento Bias possono essere progettati per fornire l'isolamento DC tra l'avvolgimento primario e l'avvolgimento secondario. Questo è molto utile per separare circuiti RF che utilizzano polarizzazione DC e sono influenzati negativamente dalla tensione DC. Se una parte del circuito richiede corrente continua, un trasformatore RF dedicato può essere utilizzato per iniettare la corrente nel percorso del segnale. Ad esempio, due trasformatori con filettatura centrale possono iniettare la polarizzazione DC e sostituire due tee di polarizzazione (come mostrato nella Figura 10).

Altre funzioni: i trasformatori RF possono essere progettati per fornire un migliore rifiuto in modalità comune per circuiti bilanciati (cioè differenziali). Altre topologie possono essere utilizzate come strozzatori per filtrare componenti ad alta frequenza dalle linee di segnale.

I trasformatori SummarizeRF possono essere fabbricati in una varietà di metodi e materiali. Sono configurati in una varietà di topologie per svolgere molte funzioni nei circuiti di radiofrequenza. A seconda del materiale, della costruzione e della progettazione, il trasformatore RF può essere a banda stretta o a banda larga e può funzionare a basse o alte frequenze. Comprendere le sfumature dei trasformatori RF può aiutare i progettisti a ottimizzare il loro design scegliendo il miglior trasformatore. Altri articoli su trasformatori RF saranno pubblicati in successione.