بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تکنولوژي ساخت سلف در مدارات مجتمع
چکیده
لزوم استفاده از سلف در مدارات مجتمع ، کاربردهاي مختلف آن در ساختار مدارات مجتمع ، بررسی علل تلفات در سلف ، محدودیتها ،راههاي مقابله بااین محدودیتها و ساختارهاي ابداع شده در این زمینه اساس مطالب بیان شدهدر این مقاله را تشکیل می دهند. ساختارهاي استفاده شده بطور عمده بر اساس ساختار مارپیجی مسطح قرار داشته و بر اساس آرایشهاي مختلف این ساختار هدف نیل به تامین اندکتانس مورد نیاز در مدار است
مقدمه
پیشرفتهاي تکنولوژي در دهه هاي اخیر ، ترانزیستورها را کوچک و کوچکتر کرده است ، حال می توان در مساحتی به اندازه
ترانزیستورهاي اولیه ، میلیونها ترانزیستور را جاي داد ، اما نیک می دانیم که یک مدارات الترونیکی فقط شامل ترانزیستورها نیستند و در یک چیپ مدارات مجتمع قطعات مختلفی می توان یافت ، مشابه با آنچه در هر مدار الکنرونیکی دیگري می توان با آنها بر خورد کرد ، مانند قطعات پسیو فشرده و گسترده ( سلفها و خازنها ) ، ترانسفورها، خازنهاي کوپلاژ ، خطوط انتقال البته در نهایت قطعات فعال از قبیل ترانزیستورهاي دو قطبی و ماسفتها.
لزوم استفاده از قطعات پسیو ( ساف و خازن ) ، در چیپهاي مدارات مجتمع ، همگامی تکنولوژي ساخت این قطعات را با پیشرفتهاي سایر قسمتها طلب می کند ، لذا لازم است در این خصوص مطالعات و تحقیقات لازمه صورت گیرد ، دراین مقاله به اختصار به روشها و تکنیکهاي ساخت قطعات پسیو با بار اندوکتانسی غالب در داخل مدارات مجتمع خواهیم پرداخت .
شکل : 1 نمایی از کاربردخاي سلف در مدارات مخابراتی
1
-1لزوم استفاده از سلف در مدارات مجتمع :
در مدارات الکترونیک سلف داراي کاربردهاي متنوع و ویژهاي است که سلف را به به عنوان یک عنصر تفکیک ناپذیر و بسیار مهم در مدارات مخابراتی مطرح می کند ، به اختصار در ذیل به کاربردهاي مهم این عنصر پرداخته می شود
الف – تطبیق امپدانس در مدارات مخابراتی و تغذیه براي نیل به بهره ماکزیمم ، کاهش نویز در مدارات و افزایش توان تحویلی به بار و کاهش تلفات
ب-کاربرد در مدارات نوسان کننده
ج- مقابله با جریانات نشتی در صفحه زمین و زیرلایه
د- خنثی سازي اثرات خازنی به منظور افزایش فرکانس کار مدارات
ه- ساخت فیلترها و حذف سیگنالهاي ناخواسته
براي ساختارهاي مورد استفادهدر مورد قطعات پسیو با اندوکتانس غالب ، ضریب هدایت فلز استفاده شده ، فاصله تا زیر لایه و ضریب هدایت زیر لایه اهمیت فراوانی دارند. در این خصوص ضریب هدایت زیرلایه بدلیل نقش اساسی در شکل گیري جریانهاي نشتی و گردابی به عنوان مهمترین عامل تلفات ، نقش مهمی در تعیین میزان تعدادي از آستانه ها و محدودیتهاي ساخت دارد.
در مدارات پیشرفته ، معمولاً 9لایه یا بیشتر وجود دارند که در حالت کلی هادي دو لایه ضخیم تر انتخاب می شوند.
در این مدارات همچنین از عایقهاي دي الکتریک پیچیده با ضریب K بالاتر استفاده می شود که عملا شبیه سازي این مدارات را مشکلتر می کنند. معمولا پرکاربردترین ساختار ،
استفاده شده براي ساخت سلف در مدارات مجتمع ساختارها به شکل مارپیچی ، می باشند ، با توجه به مشکلات ساخت اي نو ع ساختارها معمولاً، ازساختارهاي جایگزین استفاده می شود که
نمونه آن در ادامه ارائه شده است .
شکل : 2 ساختارهاي سلف در مدارات مجتمع
ساختار مارپیچیبوسیله پارامترهاي زیر بیان می شوند:
الف -طول یا عرض خارجی
ب-عرض نوار هادي
ج - فاصله بین نوارهاي هادي
د-تعداد دورهاي نوار هادي
2
با اینحال در ساخت سلف با واحد سطح مشخص ، فلز و عایق مشخص باید موارد ذیل را در نظر گرفت .
ب - مقدار اندوکتانس سلف
ج - حاصلضرب پارامتر کیفیت در اندوکتانس
د-فرکانس تشدید
ه - ظرفیت خازنی پارازینی
نکته مهم اینست که باید در نظر داشت با تغییر فرکانس ، بدلیل تمایل جاري شدن جریان در سطح ، اثر جریان پوستی ، خواص فیزیکی سلفها تغییر کرده و مقدار رآکتانس آن تغییر می کند ، در ضمن با تغییر فرکانس بدلیل تغییر مقادیر خازنی و تاثیرات متقابل با اجزاي دیگر نیز ، ممکن استباعٍث تغییر مقدار سلف گردد.
-2 تلفات در سلف
میزان تلفات در سلف بر حسب پارامتزر Q یا کیفیت تعریف شده
و برابر است با:
الف - فاکتور کیفیت ( نسبت اندوکتانس به مقاومت طول واحد)
پارامتر کیفیت بر اساس میزان انرژي ذخیره شده ، به کل انرژي سیستم تعریف می شود، در مدارات تشدید کننده میزان انرژي ذخیره شده بصورت مساوي بین سلف و خازن تقسیم می شود.توان تلف شده را نیز میتوان بصورت ذیل ، محاسبه نمود ، نکته مهم در خصوص تلفات نقش خاصیت خازنی سلف در میزان تلفات می باشد
اختلاف پتانسیل موجود مابین سلف و لایه زیر لایه باعث جاري شدن شار مغناطیسی از سلف به زیر لایه می شود که البته با توجه به اتصال زیرلایه به ولتاژ زمین ، این مسئله از جمله دلایل
اتلاف به شمار می روداز سوي دیگر ، نفوذ میدان مغناطیسی در
ز یر لایه باعث ایجاد جریان گردابی در زیرلایه می شود که با توجه به مقاومت اهمی یالاي زیر لایه ، این مسیله نیز از
جملهدلایل تلفات در سلف میباشد.
شکل - 3 شماي کلی از دلایل تلفات در سلف
3
در جریان DC و فرکانسهاي پایین ، اثر جریان پوستی چندان قابل توجه نیست اما در فرکانسهاي تقریبا بالا در محدوده
GHZ ، عملا اثر پوستی با کاهش شدید سطح مقطع جریان و همچنین طولانی تر شدن مسیر جریان ، به یکی از دلایل عمده
افزایش تلفات در سلفها تبدیل می شوند. بنابراین در تحلیل هاي مایکرویو ، عملا مقاومت سطحی هادیها در محاسبات مورد استفاده قرار میگیرند.
شکل - 4 مقایسه چگالی جریان در ساختار مشابه در فرکانسهاي متفاوت
جدول - 1 مقاومت سطحی عناصر بر حسب فرکانس
4
-3طراحی سلف ، مسایل و انتخابهاي موجود
با توجه به محدودیتهاي تحمیلی در ساخت قطعات پسیو در داخل مدارات مجتمع ، خصوصا کمبود فضاي لازم ، تکنیکها و روشهاي مختلفی براي نیل به اندکتانس مورد نیاز ابداع و به کار گرفته شده است ، در ذیل مروري مختصر بر این تکنیکها خواهیم داشت .
الف – استفاده از سلف بصورت تک پورته یا دو پورته
آرایش و طراحی اولیه یک سلف ، نقش بسیار مهمی در نقش
کاربردي آن دارد ، نخستین انتخاب در این زمینه استفاده از سلف
بصورت تک پورته یا بصورت دو پورته است ، در حالت تک پورته ، سلف بصورت یکحلقه بسته استفاده شده ، که هر دو ترمینال آن به یک اتصال مشخص ، مانند اتصال گین – سورس وصل هستند و سلف بصورتکاملاً مشخص و واضح قابل محاسبه می باشد. اما در حالت استفاده بصورت دو پورته محاسبه سلف به سادگی امکان پذیر نبوده و در اینحالت محاسبه مقادیر سلف به عنوان یک اندوکتانس تقسیم شده ، نیازمند محاسبه جریان برگشتی نیزمیباشد.
شکل – 5 ساختار سلف به صورت تک پورت و دو پورته
5
شکل – 6 مدل توزیع جریان در حالت سلف دو پورته
در این زمینه مسیر جریان برگشتی حایز اهمیت فراوانی میباشد ، چرا که اگر مسیر جریان بازگشت ،از طریق یک فلز با رسانایی خوب باشد ، می توان اندکتانس حاصله را با دقت خوبی محاسبه نمود اما اگر مسیر بازگشت ، از مسیر زیر لایه با ساختار شبکه اي پیچیده وبار مقاومتی آن باشد ، پیچیدگیهاي ویژه بر محاسبات تحمیل خواهد شد.
یک سلف را می توان در مدار هم بصورت تفاضلی ( با دو ترمینال
) و هم به صورت تک ترمیناله ( نقطه اتصال دوم زمین است ) ،
استفاده نمود ، بدیهی است که در حالت استفاده بصورت تفاضلی ، پارامترهاي L وC عنصر بصورت کامل در مدار ظاهر خواهند شد ، درر حالیکه در حالت اتصال یک سر به زمین مقدار پارامتر C ،
بدلیل سري شدن با خازن معادل زمین ، به صورت نصف مقدار اولیه در مدار دیده خواهدشد.
ب- استفاده از تقارندر ساخنارها
در ساختار یک سلف می توان تقارن را بصورت آینه اي ( معکوس
) و یا بصورت مستقیم استفاده نمود.در این ساختارها در ضمن می توان از ساختار نقطه مرکزي متصل نیز سود برد .
ساختارهاي متقارن معکوس با خاصیت تفاضلی ، بدلیل حذف نویزهاي محیطی مورد توجه ویژه قرار دارند، در اینحالت می توان از دو سلف که در نقطه مرکزي به وصل شده اند نیز ، استفاده نمود. همجنین می توان از سلفهایی با اتصال نقطه مرکزي قلاب شده نیز بهره برد ( سلفهایی با اتصال در نقطهمرکزي ، سلفهایی هستند که نقطه داخلی مرکز آنها به زمین یا ولتاژ بایاس متصل بوده و بدلیل تاثیرات متقابل داخلی ، براي تامین اندوکتانی مورد نیاز به سطح کمتري احتیاج دارند.)
6
