Návrh úzkopásmového zesilovače
Zápočtová práce z předmětu CAD pro vf. techniku. Vypracoval Radek Podgorný.
Zadání
Navrhněte jednostupňový tranzistorový zesilovač s tranzistorem ATF26884 na frekvenci 11.5 GHz. Vstupní a výstupní přizpůsobovací obvody proveďte:
- s diskrétními součástkami
- pomocí úseků mikropáskového vedení
- zkontrolujte, zda je tranzistor na zadané frekvenci stabilní
- mikropásková vedení navrhněte na podložce o síle 0.8 mm, pokovené 20 μm silnou vrstvou mědi, relativní permitivita podložky je rovna 4, ztrátový činitel pak 0.01, při návrhu uvažujte vliv diskontinuit (otevřené konce, odbočení) na vedení
- porovnejte možné alternativy zapojení, určete šířku pásma pro pokles přenosu -3 dB a pásmo, v němž je přizpůsobení na vstupu a výstupu lepší než -20 dB
- určete toleranční pásma součástek (rozměrů vedení) tak, aby teoretická výtěžnost výroby byla alespoň 90%
Vypracování
Kontrola stability tranzistoru
Za stabilní tranzistor můžeme považovat ten, jehož Rolletův faktor KR je větší než 1.
Freq [GHz] |
Rollet K [-] |
11.0 |
1.191771 |
11.1 |
1.197935 |
11.2 |
1.204323 |
11.3 |
1.210947 |
11.4 |
1.217798 |
11.5 |
1.224867 |
11.6 |
1.232162 |
11.7 |
1.239682 |
11.8 |
1.247413 |
11.9 |
1.255363 |
12.0 |
1.263529 |
V našem případě pro f = 11.5 GHz je KR = 1.224867. Kritérium stability je tedy splňeno.
Ideální vedení
Nejdříve jsme přizpůsobili tranzistor pomocí ideálního vedení.
Jako podmínku optimalizace jsme zadali S11 < -40dB a S22 < -40dB.
Délky jednotlivých vedení potom vyšly:
DelkaVed11 = 131.66 deg
DelkaVed12 = 26.81 deg
DelkaVed21 = 170.81 deg
DelkaVed22 = 30.50 deg
Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení:
Mikropáskové vedení
Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku w a efektivní permitivitu εeff.
w = 1.746 mm
εeff. = 3.222
Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení:
Délky mikropáskového vedení jsme pak určili pomocí optimalizace S11 < -40dB a S22 < -40dB. Alternativní způsob je použít délku ideálního vedení a zkrátit ji s ohledem na rychlost šíření vlny v mikropáskovém vedení.
DelkaMi11 = 7.21 mm
DelkaMi12 = 5.93 mm
DelkaMi21 = 1.75 mm
DelkaMi22 = 5.79 mm
Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení:
Šířka pásma pro -20 dB (z grafů S11 a S22):
BW = 110 MHz
BW = 188 MHz
Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafů S12 a S21):
BW = 1.092 GHz
BW = 1.749 GHz
Diskrétní součástky
Nejdříve jsme si zobrazili vstupní (Z11) a výstupní (Z22) impedanci nepřizpůsobeného zesilovače. Z grafu jsme odečetli:
Z11.Re = 18.856
Z11.Im = 17.918
Z22.Re = 23.938
Z22.Im = -15.255
Potom jsme pomocí podprogramu Smith Chart obvod přizpůsobili.
Hodnoty součástek po následné optimalizaci vyšly:
C1 = 498.357 fF
L1 = 2.70074 fH
C2 = 479.770 fF
L2 = 470.204 pH
Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek:
Šířka pásma pro -20 dB (z grafů S11 a S22):
BW = 249 MHz
BW = 433 MHz
Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafů S12 a S21):
BW = 3.008 GHz
BW = 3.231 GHz
Výtěžnost mikropáskového vedení
Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
ΔDelkaMi11 = 1%
ΔDelkaMi12 = 1%
ΔDelkaMi21 = 1%
ΔDelkaMi22 = 1%
Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení):
Motiv mikropásku:
Závěr
I přes některé problémy s programem WinMide se mi nakonec podařilo obvod optimalizovat podle zadání. Jediným nepřekonatelným problémem pro mne zůstala výtěžnost.