Научная статья на тему 'Исследование чувствительности импеданса электрохимической ячейки к изменению диэлектрической проницаемости исследуемых материалов'

Исследование чувствительности импеданса электрохимической ячейки к изменению диэлектрической проницаемости исследуемых материалов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
184
32
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ИМПЕДАНСА / ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА / ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫЕ МИКРОЭЛЕКТРОДЫ / ПОСТОЯННАЯ ЯЧЕЙКИ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Фадина Е. А.

В работе рассмотрена электрохимическая ячейка в системе встречно-штыревых микроэлектродов, используемая для измерения импеданса. Предложен аналитический метод для оценки влияния диэлектрических свойств электролита на импеданс ячейки. В методе рассматривается модель электрохимической ячейки в виде эквивалентной электрической схемы. Для определения постоянной ячейки применяется моделирование распределения поля между проводниками микроэлектродов. Рассмотрено влияние диэлектрической проницаемости на реальную и мнимую части электрохимического импеданса, на их чувствительность к изменениям диэлектрических свойств электролита.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Фадина Е. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Исследование чувствительности импеданса электрохимической ячейки к изменению диэлектрической проницаемости исследуемых материалов»

УДК 621.3.011.21

ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ИМПЕДАНСА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЯЧЕЙКИ К ИЗМЕНЕНИЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ИССЛЕДУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ

STUDY OF THE IMPEDANCE SENSITIVITY OF ELECTROCHEMICAL CELL TO THE DIELECTRIC PERMITTIVITY OF THE INVESTIGATED MATERIALS

Е. А. Фадина

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

E. A. Fadina

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В работе рассмотрена электрохимическая ячейка в системе встречно-штыревых микроэлектродов, используемая для измерения импеданса. Предложен аналитический метод для оценки влияния диэлектрических свойств электролита на импеданс ячейки. В методе рассматривается модель электрохимической ячейки в виде эквивалентной электрической схемы. Для определения постоянной ячейки применяется моделирование распределения поля между проводниками микроэлектродов. Рассмотрено влияние диэлектрической проницаемости на реальную и мнимую части электрохимического импеданса, на их чувствительность к изменениям диэлектрических свойств электролита.

Ключевые слова: чувствительность импеданса, электрохимическая ячейка, встречно-штыревые микроэлектроды, постоянная ячейки.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-271-279

I. Введение

Импедансная спектроскопия в настоящее время является одним из востребованных методов исследования органических и неорганических веществ. Электрохимические датчики отличаются более низкой стоимостью по сравнению с другими, простотой технологии изготовления, позволяют проводить измерения в мутных средах и в режиме онлайн, позволяют с высокой точностью контролировать микроскопические объемы образцов.

Методы импедансной спектроскопии применяются в самых разных областях промышленности и медицины. Электрохимическая спектроскопия позволяет проводить анализ сложных промышленных жидкостей на наличие в них примесей [1-3], исследовать коррозионные процессы [4]. Биоимпедансная спектроскопия широко используется в биологии и медицине для неинвазивного выявления заболеваний на ранних стадиях [5-7], для оценки состава тела и определения объема внеклеточной и внутриклеточной жидкости [8], в исследованиях крови [9]. Особую актуальность методы импедансной спектроскопии получили в определении фальсификаций и биологической загрязненности продуктов питания [10-12].

В последнее время для реализации методов импедансной спектроскопии получили широкое применение технологи lab-on-chip [13]. Это связано с тем, что микроэлектроды позволяют увеличивать изменение сигнала, характеризуются меньшим временем отклика, имеют большую чувствительность к низкой концентрации электроактивных частиц в растворах [14]. Разработаны различные конструкции таких устройств, среди которых часто применяются встречно-штыревые микроэлектроды. Импеданс системы встречно-штыревых микроэлектродов зависит от многих факторов, среди которых присутствуют диэлектрические и электропроводящие характеристики материалов, на чувствительность и отношение сигнал/шум плоских микроэлектродов может оказывать существенное влияние геометрия электрода. Для определения характеристик исследуемых материалов необходимо установить взаимосвязь между измеряемым импедансом и электрофизическими свойствами исследуемых материалов, что является сложной задачей, так как поле в системе микроэлектродов неоднородное.

II. Постановка задачи

Существует ряд работ, посвященных анализу процессов, протекающих в электролитах, помещенных в систему встречно -штыревых микроэлектродов, и определению их параметров [15-17]. Известно, что диэлектрическая проницаемость тканей, исследуемых веществ зависит от их структуры и состава[18]. Для того чтобы правильно выбрать режим измерения импеданса, необходимо знать как составляющие импеданса электрохимической ячейки зависят от свойств исследуемого вещества. В этом случае важной задачей является определение чувствительности реальной и мнимой частей импеданса ячейки к изменению диэлектрической проницаемости вещества.

Целью данной статьи является моделирование импеданса в широкой полосе частот и исследование чувствительности импеданса к изменению диэлектрических свойств исследуемого вещества.

III. Теория

Система встречно-штыревых микроэлектродов представлена на рисунке 1а. Для анализа процессов, протекающих в исследуемом веществе, в этой системе выделена элементарная ячейка, показанная на рис. 1б.

Основным методом исследований импеданса электрохимической ячейки служит построение ее модели на основе электрической цепи, элементы которой по своему смыслу соответствуют моделируемым с их помощью процессам, происходящим при протекании переменного электрического тока в образце [19-20]. На рис. 2 представлена эквивалентная электрическая схема элементарной электрохимической ячейки с электролитом. Элементы этой схемы характеризуют различные компоненты системы микроэлектродов и физические процессы, происходящие в ней. Сопротивления Rel представляют сопротивления самих встречно-штыревых электродов. Активное сопротивление раствора электролита между электродами характеризуется сопротивлением Re. Емкости двойных электрических слоев на границе микроэлектродов с электролитом и емкость электрохимической ячейки представлены емкостями Cdl и Cc соответственно.

Рис. 1. Электрохимическая ячейка в системе встречно -штыревых микроэлектродов: а) вид сверху; б) сечение; 1, 2 - микроэлектроды, 3 - подложка

Рис. 2. Эквивалентная схема элементарной электрохимической ячейки

Импеданс эквивалентной электрической схемы электрохимической ячейки (рис. 2) может быть представлен выражением:

2. = —-— + 2Яе1,

где Ъ - импеданс эквивалентной электрической схемы; 2Н - полное сопротивление схемы Сл - Яе - Сл; т - частота; Сс - емкость между двумя встречно-штыревыми электродами; Яе1 - сопротивление электродов. Сопротивление вычисляется по формуле

= , (1) 5 е аСМ

где Яе - сопротивление раствора электролита в ячейке с встречно -штыревыми электродами; С$ - емкость электрического двойного слоя на границе раствор электролита-электрод.

Емкость между двумя микроэлектродами может быть определена через постоянную ячейки с помощью следующего выражения

Сс =

Е0Ег

Кг :

где е0 - электрическая постоянная; ег - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемого вещества; Кс - постоянная ячейки.

В случае переменного электрического поля диэлектрическая проницаемость электролита зависит от частоты и становится комплексной величиной. В работе [21] приведена формула для комплексной диэлектрической проницаемости, которая определяет ее связь с проводимостью электролита:

= ет + —ае ,

ЕоШ

где е„ - высокочастотный предел диэлектрической проницаемости; ае - проводимость электролита.

Постоянная ячейки связывает между собой сопротивление раствора электролита в ячейке с микроэлектродами и электропроводность электролита. При условии отсутствия двойных электрических слоев на границах электролит-электрод эту константу можно определить следующим образом

Кс = Иеае , (2)

Выражения (1) и (2) включают сопротивление раствора электролита в ячейке с встречно-штыревыми микроэлектродами. Значение величины этого сопротивления необходимо для того, чтобы найти импеданс эквивалентной электрической схемы рассматриваемой электрохимической ячейки.

Приняв, что общая длина контактной линии между соседними штырями пленочных встречно -штыревых микроэлектродов гораздо больше, чем длина проводника, их соединяющего, сопротивление раствора электролита можно представить следующим образом:

Я

а/

где - линейное сопротивление электролита между соседними проводниками.

Линейное сопротивление между соседними проводниками может быть найдено, если известно распределение электрического потенциала в элементарной ячейке системы встречно -штыревых микроэлектродов (рис. 1б). В этом случае линейное сопротивление эквивалентно

п _ Фе12-Фе11

каГ = гЬ/2. > (3)

V }1йх

где фец, фец потенциалы электродов 1 и 2 соответственно; Ь - ширина микроэлектрода; ¡1 - плотность тока на электроде 1, которая определяется по распределению электрического потенциала в элементарной ячейке.

Сопротивление встречно -штыревого микроэлектрода можно приближенно определить как сумму сопротивления соединительного пленочного проводника и сопротивления цепочки параллельно включенных штыревых электродов

R

el

Rcf + —,

С/ N

где Ясу и Яу сопротивление соединительного пленочного проводника и сопротивление штыревого электрода соответственно. Сопротивления Ясу и Яу могут быть определены следующим образом

R

Cf

_ Lcf

1 a-me&bf

где ame проводимость пленки; d - толщина пленки; Lcf и Lf длина соединительного пленочного слоя и проводника микроэлектрода соответственно; bf и bf ширина соединительного пленочного слоя и проводника микроэлектрода соответственно.

Емкость двойного электрического слоя у поверхности между раствором электролита и электродом приближенно равна

Cdi « (Lcfbcf + NLfbf)

где С0 удельная емкость двойного электрического слоя вблизи поверхности между электролитом и электродом.

Таким образом, для того чтобы вычислить импеданс, необходимо определить постоянную ячейки. Существующие аналитические выражения для постоянной ячейки включают эллиптические интегралы, которые могут быть вычислены только приближенно численными методами [22-23]. Недостаток численных методов заключается в том, что полученные данные крайне неудобны в обработке, изменение условий задачи требует переопределения всех параметров численного моделирования, точность расчетов зависит от вычислительной мощности ЭВМ.

Для определения постоянной электрохимической ячейки можно использовать аналитический метод, предложенный в работах [24-25]. Согласно этому методу элементарная ячейка (рис. 1б) может быть разделена на три прямоугольных региона, представленных на рис. 3.

Для каждого региона определены дифференциальное уравнение для распределения потенциала и граничные условия между зонами и на границе с электродами. Тогда аналитическое выражение для распределения потенциала может быть получено методом собственных функций. Плотности тока на границах между смежными регионами и на границах с электродами определены как сумма ортогональных функций с неизвестными весовыми коэффициентами, для вычисления которых используются граничные условия.

Полученные выражения для распределения потенциала в зонах образуют систему линейных уравнений, решая которые, можно рассчитать неизвестные весовые коэффициенты. Плотность тока на электроде 1, определенная этим методом, может использоваться для того, чтобы найти линейное сопротивление электролита между микроэлектродами в соответствии с (3).

Рис. 3. Модель элементарной электрохимической ячейки: 1, 2 - микроэлектроды; 3 - подложка;

4 - верхняя стенка микроканала

IV. Результаты моделирования

Представленная аналитическая модель была использована для исследования чувствительности импеданса электрохимической ячейки с системой встречно-штыревых микроэлектродов. В качестве материала микроэлектродов была выбрана платина (проводимость - 9,66 106 См/м), толщина 1 мкм. Длина электродов была выбрана равной 1000 мкм. Ширина отдельного проводника и расстояние между электродами имели значение 150 мкм и 100 мкм соответственно. Количество электродов в каждом микроэлектроде полагалось равным 14. Удельная емкость двойного электрического слоя на границе раствор электролита - электрод принята равной 10 мкФ/см2. Предельная диэлектрическая проницаемость электролита была выбрана в диапазоне от 1 до 81. Проводимость электролита 0,1 МСм/м.

На рис. 4 представлены зависимости чувствительности реальной и мнимой частей импеданса к изменению относительной диэлектрической проницаемости электролита при различной высоте микроканала, полученные для частоты 0,8 МГц. Чувствительность мнимой части, рассчитанная для частот 1 и 10 МГц, показана на рис. 5.

На рис. 6 и 7 представлены зависимости реальной и мнимой части импеданса, полученные для двух частот: 0,8 МГц и 10 МГц. Зависимость фазы и ее чувствительности от относительной диэлектрической проницаемости электролита, полученная при различной высоте микроканала и для двух частот, представлена на рисунках 8 и 9 соответственно.

Рис.

4. Чувствительность импеданса к изменению относительной диэлектрической проницаемости электролита для различной высоты микроканала, полученная для частоты 0,8 МГц: а) чувствительность реальной части; б) чувствительность мнимой части

Рис. 5. Чувствительность мнимой части импеданса к изменению относительной диэлектрической проницаемости электролита для различной высоты микроканала, полученная для различных частот:

а) 1 МГц; б) 10 МГц

Рис. 6. Зависимость реальной части импеданса к изменению относительной диэлектрической проницаемости электролита для различной высоты микроканала, полученная для различных частот: а) 0,8 МГц; б) 10 МГц.

Рис. 7. Зависимость мнимой части импеданса к изменению относительной диэлектрической проницаемости электролита для различной высоты микроканала, полученная для различных частот: а) 0,8 МГц; б) 10 МГц.

Рис. 8. Зависимость фазы импеданса электрохимической ячейки от относительной диэлектрической проницаемости: а) частота 0,8МГц; б) частота 10 МГц

Рис. 9. Чувствительность фазы импеданса электрохимической ячейки к изменению относительной диэлектрической проницаемости: а) частота 0,8МГц; б) частота 10 МГц

V. Обсуждение результатов

Анализ зависимостей (рис. 4) показывает, что чувствительность реальной части практически не зависит от высоты микроканала, тогда как чувствительность мнимой части реагирует на изменение высоты микроячейки в большей степени. Однако по мере роста частоты, как видно из рисунка 5, полученные для чувствительности мнимой части зависимости сливаются, высота микроканала практически не сказывается на результатах измерения. Кроме того, на более высоких частотах уменьшается диапазон значений диэлектрической проницаемости, при которых чувствительность принимает нулевые значения. И для реальной, и для мнимой части импеданса чувствительность убывает с ростом диэлектрической проницаемости, но мнимая часть убывает медленнее.

Зависимости реальной и мнимой частей импеданса электрохимической ячейки от диэлектрической проницаемости (рис. 6, 7) имеют следующие особенности. Также как и в случае с чувствительностью, на реальную часть практически не влияет высота микроканала. При повышении частоты высота микроканала перестает оказывать влияние и на мнимую часть импеданса. С ростом частоты уменьшается диапазон значений диэлектрической проницаемости, при которых наблюдается рост реальной и мнимой частей импеданса. Так, на частоте 10 МГц, начиная со значений диэлектрической проницаемости выше 20, мнимая часть импеданса практически остается неизменной при увеличении диэлектрической проницаемости электролита.

Анализ зависимостей (рис. 8) показывает, что на фазу импеданса высота микроканала также оказывает влияние. С ростом частоты эти зависимости приобретают линейный характер, что может позволить повысить точность измерений при исследовании диэлектрических свойств электролита. Чувствительность фазы импеданса к изменению диэлектрической проницаемости, как видно из рис. 9, с ростом частоты резко убывает по мере увеличения значения диэлектрической проницаемости.

VI. Выводы и заключение

Таким образом, наиболее высокая чувствительность к изменениям диэлектрических свойств исследуемого вещества проявляется у мнимой части импеданса. При этом если требуется проводить измерения для веществ с большими значениями диэлектрической проницаемости (например, кровь, вода с растворенными в ней солями и минералами, этанол), необходимо выбирать частоты менее 1 МГц. С другой стороны, для небольших значений проницаемости можно выбрать более высокий диапазон частот. В этом случае оценку состава вещества можно проводить по фазе импеданса, т.к. в этом случае существует линейная зависимость фазы от диэлектрической проницаемости.

Также из представленных данных видно, что на импеданс и его характеристики оказывает влияние высота микроканала. Этот факт необходимо учитывать при исследовании процессов в электрохимической ячейке с высотой микроканала менее 200 мкм.

Описанный в статье подход может использоваться для анализа чувствительности импеданса электрохимической ячейки в системе встречно-штыревых микроэлектродов к изменениям диэлектрических свойств электролита. Определение электрохимического импеданса ячейки основано на аналитической модели для нахождения постоянной ячейки и методе эквивалентной электрической цепи ячейки, которая учитывает электрохимические процессы, происходящие в ней. С помощью существующего подхода было установлено влияние диэлек-

трической проницаемости электролита на фазу, реальную и мнимую части электрохимического импеданса ячейки при различных частотах. Полученные данные позволяют определять диапазоны значений диэлектрической проницаемости электролита, для которых могут использоваться методы импеданса в целях изучения свойств исследуемого вещества, а также выбрать оптимальную частоту измерений. Описанный подход дает возможность также учесть параметры электрохимической ячейки, в частности высоту микроканала ячейки. Это важно для дальнейшего развития методов импеданса на основе электрохимических ячеек, изготовленных по микросистемным технологиям.

Список литературы

1. Lvovich V. F., Liu C. C., Smiechowski M. F. Optimization and fabrication of planar interdigitated impedance sensors for highly resistive non-aqueous industrial fluids // Sensors and Actuators B: Chemical. 2006. Vol. 119, no. 2. P. 490-496.

2. Smiechowski M. F., Lvovich V. F. Electrochemical monitoring of water-surfactant interactions in industrial lubricants //Journal of Electroanalytical Chemistry. 2002. Vol. 534, no. 2. P. 171-180.

3. Marx B. M., Luke M., Butt D. P. Micro-sensor for monitoring oils //2006 IEEE Workshop on Microelectronics and Electron Devices, 2006. WMED'06. P. 45-46.

4. Pickering H. W. [et al.]. Development of electrochemical sensors and their application for characterizing the metal/electrolyte system during localized corrosion // 2004 TMS Annual Meeting. 2004. P. 101-116.

5. Кузнецов В. В., Новиков А. А. Техническая реализация биоимпедансной поличастотной спектрометрии в диагностических исследованиях // Омский научный вестник. 2013. № 2 (120). C. 272-277.

6. Dua R. [et al.]. Detection of basal cell carcinoma using electrical impedance and neural networks // IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2004. Vol. 51, no. 1. P. 66-71.

7. Murdoch C. [et al.]. Use of electrical impedance spectroscopy to detect malignant and potentially malignant oral lesions // International journal of nanomedicine. 2014. Vol. 9. P. 4521.

8. Малахов М. В., Мельников А. А., Викулов А. Д. Изменение параметров биоимпедансной спектроскопии цельной крови в начальный период оседания эритроцитов // Ярославский педагогический вестник. 2010. Т. 3, № 4. C. 104-109.

9. Ulgen Y., Sezdi M. Physiological quality assessment of stored whole blood by means of electrical measurements // Medical & biological engineering & computing. 2007. Vol. 45, no. 7. P. 653-660.

10. Yang L. [et al.]. Interdigitated microelectrode (IME) impedance sensor for the detection of viable Salmonella typhimurium // Biosensors and bioelectronics. 2004. Vol. 19, no. 10. P. 1139-1147.

11. Алейников А. Ф., Гляненко В. С., Пальчикова И. Г., Чугуй Ю. В. Оценка степени свежести мяса методом импедансной спектроскопии // Сибирский научный вестник. 2012. № 16. С. 299-303.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

12. Alahi M., Mukhopadhyay S. Detection methodologies for pathogen and toxins: a review // Sensors. 2017. Vol. 17, no 8. P. 1885-1905.

13. Yafouz, B.; Kadri, N. A.; Ibrahim F. Microarray dot electrodes utilizing dielectrophoresis for cell characterization. Sensors. 2013. Vol. 13. P. 9029-9046.

14. Yu Y., Li Z. Influence of droplet coverage on the electrochemical response of planar microelectrodes and potential solving strategies based on nesting concept // Peer J. 2016. Vol. 4. P. e2400.

15. Sheppard N. F., Tucker R. C., Wu C. Electrical conductivity measurements using microfabricated interdigitated electrodes //Analytical Chemistry. 1993. Vol. 65, no. 9. P. 1199-1202.

16. Ibrahim M. [et al.]. Physical and electrical modeling of interdigitated electrode arrays for bioimpedance spectroscopy // New Developments and Applications in Sensing Technology. Springer, Berlin, Heidelberg, 2011. P. 169-189.

17. Olthuis W., Streekstra W., Bergveld P. Theoretical and experimental determination of cell constants of pla-nar-interdigitated electrolyte conductivity sensors //Sensors and Actuators B: Chemical. 1995. Vol. 24, no. 1-3. P. 252256.

18. Kuang W., Nelson S. O. Low-frequency dielectric properties of biological tissues: a review with some new insights //Transactions of the ASAE-American Society of Agricultural Engineers. 1998. Vol. 41, no. 1. P. 173-184.

19. Timmer B., Sparreboom W., Olthuis W., Bergveld P., van den Berg A. Optimization of an electrolyte conductivity detector for measuring low ion concentrations // Lab on a Chip, 2002. Vol. 2. P. 121-124.

20. Hong J., Yoon D.S., Kim S.K., Kim T.S., Kim S., Pak E.Y., No K. AC frequency characteristics of coplanar impedance sensors as design parameters // Lab on a Chip. 2005. Vol. 5. P. 270-279.

21. Одинаев С., Махмадбегов Р. С. К статистической теории диэлектрических свойств растворов электролитов //Доклады Академии наук Республики Таджикистан. 2013. Т. 56, № 5. С. 381-388.

22. Pech D., Brunet M., Dinh T.M., Armstrong K., Gaudet J., Guay D. Influence of the configuration in planar interdigitated electrochemical micro-capacitors // Journal of Power Sources. 2013. Vol. 230. P. 230-235.

23. Vurin D., Dzapo H. Multielectrode measurement of conductive liquid layer thickness // Proceedings of 2012 IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference, Graz, Austria, 2012. P. 123-128.

24. Козлов А. Г. Аналитическое моделирование стационарного распределения температуры в двумерных структурах с произвольными прямоугольными границами // Инженерная физика. 2004. № 3. С. 11-19.

25. Kozlov A. G., Fadina E. A. Analysis of electrophysical processes in system of interdigitated microelec-trodes used in microchannels // 2016 IEEE Conference Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics). Omsk, Russia, 15-17 November 2016. P. 1-5. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7819032.

УДК 621.375.4

ТРИ ТИПА ШИРОКОПОЛОСНЫХ ТРАНСИМПЕДАНСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДИАПАЗОНА 0,1-3 ГГЦ, РАЗРАБОТАННЫХ В ПРОЦЕССЕ 130 НМ

A 0.1-3-GHZ THREE TYPES OF BROADBAND TRANSIMPEDANCE AMPLIFIERS IN SIGE 130 NM

Р. Р. Фахрутдинов, С. А. Завьялов, А. В. Косых, К. В. Мурасов, Р. А. Вольф

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

Rodion R. Fakhrutdinov, Sergey A. Zavyalov, Anatoly V. Kosykh, Konstantin V. Murasov, Ruslan A. Wolf

Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. При проектировании СВЧ приемных устройств типа «система на кристалле» (СнК) при соединении каскадов внутри кристалла часто используют согласование по напряжению как при проектировании низкочастотных устройств, поскольку длинна волны значительно превышает длину соединений внутри кристалла. Для соединения СнК с внешними устройствами необходимо обеспечить согласование по мощности с сопротивлением 50 Ом. В статье описана разработка, моделирование, приведены результаты измерения трех видов трансимпедансных усилителей, предназначенных для согласования с внешними 50-омными устройствами внутренних СВЧ блоков. Частотный диапазон всех типов усилителей 0,1...3 ГГц, входной и выходной КСВ не превышает 2. Коэффициент усиления для разных типов усилителей лежит в пределах 16.20 дБ. Усилители выполнены по дифференциальной схеме в технологическом процессе 130 нм БИКМОП и имеют потребляемый ток не более 20 мА.

Ключевые слова: трансимпедансный усилитель, БиКМОП, SiGe, согласование по мощности, система на кристалле, СВЧ.

DOI: 10.25206/2310-9793-7-2-279-289

I. Введение

Современные устройства имеют все меньшие габаритные размеры, поэтому все большее распространение находят устройства, выполненные в виде системы на кристалле (СнК). В настоящее время при создании СВЧ компонентов наиболее распространенной технологией является арсенид галлия, которая позволяет добиваться высоких рабочих частот, широкого частотного диапазона, а также низкого уровня шума. Основным недостатком устройств, построенных с использованием арсенида галлия, является невозможность размещения на одном кристалле большого количества элементов, а следовательно, становится невозможным реализовать систему на кристалле.

При работе с СВЧ сигналами частотой до 20 ГГц блоки могут быть согласованы по напряжению с использованием правил проектирования для низких частот [1], в то время как согласование с внешними устройствами необходимо производить по мощности.

Поскольку при проектировании высокочастотных входных и промежуточных блоков основное внимание уделяется частотным свойствам, снижению уровня шумов, а также обеспечению небольшой потребляемой мощности, выходное сопротивление СФ-блоков часто имеет значение отличное от 50 Ом, что не позволяет соединять выходы непосредственно с внешней нагрузкой.

Таким образом, для обеспечения возможности передачи обработанного системой на кристалле сигнала к внешним устройствам необходим трансимпедансный усилитель, имеющий входное согласование по напряжению и выходное по мощности для стандартного сопротивления нагрузки 50 Ом.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.