1.1.2 Котушки індуктивності для імс

Виготовлення котушок індуктивності для гібридних плівкових мікросхем представляє великі труднощі. Найбільшого поширення в мегагерцовому діапазоні частот отримали плоскі спіральні котушки. Обмежені розміри підкладок плівкових мікросхем і кінцева ширина провідної смужки не дозволяють виготовити плоскі одношарові плівкові котушки з індуктивністю більше 5-7 мк Гн. Це означає, що найбільш реальним є виготовлення мікросхем з коливальними контурами, резонансна частота яких відповідає кільком десяткам мегагерц.

Методи збільшення індуктивності плоских спіральних котушок, засновані на нанесенні феритових плівок, дозволяють збільшити індуктивність котушок лише на 10-40 %, але значно ускладнюють технологічний процес їх виготовлення.

Різні схемні еквіваленти індуктивності, в яких використовуються активні елементи, поки не знайшли широкого застосування через залежність їх параметрів від частоти і температури.

Плівкові котушки ГІМС бувають двох типів: перший тип – мікро котушки, що монтуються на плату мікросхеми, другий тип – індуктивні елементи, виконані у вигляді круглих, плоских квадратних спіралей (рис.2) або окремих витків, які наносять на діелектричну або магнітну основу чи плівку. Спіраль найчастіше виготовляють із золота. Плівкові індук­тивності досить малих розмірів, наприклад, індуктивність 10 мк Гн має габарити 15x15 мм, складається із 46 витків 0,05 мм завшир­шки, відстань між якими 0,1мм.

Рисунок 4 – Плівкові елементи індуктивності

Виготовлення тонкоплівкових індуктивностей — дуже складна справа, тому практично у тонкоплівкових мікросхемах викорис­товуються дискретні мікромініатюрні котушки індуктивностей з осердям із феритів або порошкового заліза.

З метою збільшення індуктивності спіралей застосовують основи з матеріалів з підвищеною магнітною проникністю μ або покривають спіралі плівками з підвищеним значенням μ. Плівкові спіралі квадратної форми мають за тих же самих значень (внутрішній діаметр спіралі), (зовнішній діаметр спіралі) ,W(число витків), більшу індуктивність, ніж спіралі круглої форми. Оскільки провідник спіралі має велику довжину, його опір досягає омів, що знижує добротність індуктивних елементів. Максимального значення добротності досягають для круглої спіралі за співвідношенням / =0,4, а для квадратної спіралі / =0,36. Проте квадратну конструкцію індуктивного елемента легше виконати і вона займає меншу площу, ніж кругла. Мінімальну площу займають індуктивні елементи, внутрішній діаметр яких =0 і співвідношення / =0.

Індуктивні елементи надвисоких частот мають значення індуктивності до 10 – 20 н Гн, їх виконують у вигляді круглого або квадратного витка.

Індуктивність плоского прямокутного провідника розраховується за формулою:

(2)

- індуктивність, н Гн., l, b, d – відповідно довжина, ширина та товщина прямокутного провідника, мм.

За допомогою наведеної формули розраховують індуктивні плоских виводів компонентів. Індуктивність круглого витка обчислюється за формулою:

(3)

Де l, b,d– відповідно периметр, ширина і товщина провідника витків, мм.

Індуктивність квадратного витка визначається за формулою:

(4)

Де l, b, d – відповідно сторона квадрата, ширина і товщина провідника витка, мм.

Відрізок циліндричного провідника може також використовуватися як індуктивний елемент ІМС, його індуктивність розраховується за формулою:

(4)

Де l, d – відповідно довжина і діаметр провідника, мм.

Однак частіше формулу (4) використовують для розрахунків індуктивності виводів компонентів ГІС. Індуктивні елементи ІМС НВЧ повинні мати довжину провідника набагато меншу за довжину хвилі.

Серед недоліків індуктивних елементів слід назвати такі: великі габаритні розміри, значна відносна похибка індуктивності (0,2 – 0,3) і неможливість простого підстроювання.

Якщо виготовити дві плоскі котушки з протилежних боків підкладки, можна одержати плівковий трансформатор. Товщина підкладки буде визначати величину взаємної індукції. Але коефіцієнт взаємної індукції буде низьким, тому що матеріалом підкладки не є магнетик.

У зв’язку з розробкою мініатюрних проводових котушок використання плівкових котушок, особливо на частотах менших за 50…100 М Гц, обмежується, а тому перевага надається навісним компонентам.

Котушки індуктивності в напівпровідникових інтегральних схемах зробити неможливо. Тому ІС проектуються так, щоб індуктивність була не потрібна. Якщо ж все ж таки необхідно мати індуктивний опір, то можна створити еквівалент індуктивності, який складається з транзистора, резистора і конденсатора. Приклад одного з таких еквівалентів показано на рис.5.

Рисунок 5 – Еквівалент індуктивності

Змінна напруга U підводиться між колектором та емітером транзистора. Для спрощення не показана подача на транзистор постійної напруги. Частина змінної напруги U через RC-ланцюг подається на базу. Значення R та C підібрані так, що R>>1/(C). Тоді струм в RC-ланцюгу можна приблизно ураховувати співпадаючим по фазі з напругою U. Але напруга на конденсаторі відстає від струму ІRC на 90о. Напруга подається на базу та керує колекторним струмом транзистора ІК, який співпадає по фазі з напругою

, тобто відстає від напруги U на 90о. Таким чином,транзистор в цій схемі створює для напруги U опір, еквівалентний деякому індуктивному опору . Інакше кажучи, транзистор є еквівалентним деякій індуктивності Якщо встановлювати більше чи менше значення струму IK, можна одержувати різні значення Lекв. Оскільки опір RC-ланцюга в багато разів більший x L , то впливом цього ланцюжка нехтують.

1.1.3 Помножувач індуктивності на L-негатроні

В тонко плівкових котушках індуктивності величини індуктивності та добротності пропорційно залежать від геометричних розмірів, що обмежує можливість мініатюризації пристроїв, а гіраторні індуктивності мають обмежений частотний діапазон, велике споживання енергії, необхідність використання великої кількості транзисторів, що знижує їх стабільність. Вирішити дані проблеми можливо шляхом використання помножувачів індуктивності.

Помножувач індуктивності – активний чотириполюсник, величина індуктивності між однією з пар клем якого пропорційно залежить від величини індуктивності, підключеної до іншої пари клем. Узагальнена схема якого показана на рис. 4

а) б)

Рисунок 6 – Узагальнена структурна схема помножувача індуктивності (а) та його реалізація на польовому транзисторі (б)

Дослідження такого помножувача індуктивності на польовому транзисторі Шотткі, схему якого подано на рис. 6б, показало, що можна досягнути підвищення значення індуктивності в 10 разів, однак це підвищення індуктивності досягається лише в невеликій смузі частот [4-6].

З метою усунення недоліків, притаманних існуючим помножувачам індуктивності, реалізуємо помножувач індуктивності за допомогою L-негатрона. L-негатрон – це такий клас індуктивних елементів і їх схемо-технічних аналогів, у яких на вебер-амперній характеристиці існує ділянка, де диференціальна індуктивність L~<0, тобто вони мають від’ємну диференціальну індуктивність.

До основних параметрів такого помножувача індуктивність відносяться:

1. Коефіцієнт множення індуктивності , де - величина помноженої індуктивності, – величина помножуваної індуктивності.

2. Мінімальна частота та максимальна частота помноження індуктивності . Де, .

3. Абсолютна смуга частот помноження індуктивності .

4. Коефіцієнт помноження добротності ,

де – добротність котушки індуктивності, що помножується, та - добротність реалізованої котушки індуктивності.

Використання операційного підсилювача дозволяє отримати помножувач індуктивності на L-негатроні, який забезпечує помноження індуктивності в 100 разів. Отримані аналітичні вирази дозволяють проводити розрахунок таких помножувачів індуктивності з похибкою не більше 2 % в діапазоні частот до 100 кГц.