Differences between revisions 1 and 23 (spanning 22 versions)

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

attachment:rollet.png

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.

attachment:vedeni_schema.png

Jako podmínku optimalizace jsme zadali S11 < -40dB a S22 < -40dB.

Délky jednotlivých vedení potom vyšly:

DelkaVed11 = 131.66 degBR DelkaVed12 = 26.81 degBR DelkaVed21 = 170.81 degBR DelkaVed22 = 30.50 deg

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení:

attachment:vedeni_grafy.png

Mikropáskové vedení

Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku w a efektivní permitivitu εeff.

w = 1.746 mmBR εeff. = 3.222

Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení:

attachment:mikro_schema.png

Délky mikropáskového vedení jsme pak určili pomocí optimalizace S11 < -40dB a S22 < -40dB a pomocí režimu porovnání s grafem samotného tranzistoru s požadavky S11 = 0dB a S22 = 0dB. Alternativní způsob je použít délku ideálního vedení a zkrátit ji s ohledem na rychlost šíření vlny v mikropáskovém vedení.

DelkaMi11 = 14.47 mmBR DelkaMi12 = 5.93 mmBR DelkaMi21 = 1.75 mmBR DelkaMi22 = 5.79 mm

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení:

attachment:mikro_grafy.png

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):

BW = 110 MHz

Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafu S12):

BW = 1.092 GHz

Diskrétní součástky

Nejdříve jsme si zobrazili vstupní (Z11) a výstupní (Z22) impedanci nepřizpůsobeného zesilovače. Z grafu jsme odečetli:

Z11.Re = 18.856BR Z11.Im = 17.918BR Z22.Re = 23.938BR Z22.Im = -15.255

Potom jsme pomocí podprogramu Smith Chart obvod přizpůsobili.

attachment:diskr_schema.png

Hodnoty součástek po následné optimalizaci vyšly:

C1 = 498.357 fFBR L1 = 2.70074 fHBR C2 = 479.770 fFBR L2 = 470.204 pH

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):

BW = 249 MHz

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek:

attachment:diskr_grafy.png

Výtěžnost

Mikropáskové vedení

Bohužel se mi nepodařilo najít uspokojivé hodnoty a proto se výtěžnost přesahující požadovaných 90% vyskytuje pouze u segmentu 1-1.

Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení):

attachment:mikro_yield11.png

attachment:mikro_yield12.png

attachment:mikro_yield21.png

attachment:mikro_yield22.png

Motiv mikropásku:

attachment:mikro_motiv.png

Diskrétní součástky

Co se týče výtěžnosti u diskrétních součástek, vůbec se mi nepodařilo z WinMide dostat smysluplné výsledky.

Závěr

I přes některé problémy s programem WinMide se mi nakonec podařilo obvod optimalizovat podle zadání. Jediným nepřekonatelným problémem pro mne zůstala výtěžnost.

-  ⇤ ← Revision 1 as of 2005-01-12 10:45:39 → 
  Size: 5832
  Editor: RadekPodgorny
  Comment:
+   ← Revision 23 as of 2005-01-12 19:24:11 → ⇥
  Size: 4796
  Editor: RadekPodgorny
  Comment:
-Deletions are marked like this.
+Additions are marked like this.
 Line 1:
-= Zápočtová práce z předmětu CAD pro vf. techniku =
+= Návrh úzkopásmového zesilovače =
 Line 3:
-== Návrh úzkopásmového zesilovače ==
+Zápočtová práce z předmětu CAD pro vf. techniku. Vypracoval '''Radek Podgorný'''.
 Line 5:
-=== Zadání ===
+== Zadání ==
 Line 7:
- * Navrhněte jednostupňový tranzistorový zesilovač s tranzistorem ATF26884 na frekvenci 12 GHz. Vstupní a výstupní přizpůsobovací obvody proveďte:
+ * Navrhněte jednostupňový tranzistorový zesilovač s tranzistorem ATF26884 na frekvenci '''11.5 GHz'''. Vstupní a výstupní přizpůsobovací obvody proveďte:
 Line 15:
-=== Vypracování ===
+== Vypracování ==
 Line 17:
-==== Kontrola stability tranzistoru ====
+=== Kontrola stability tranzistoru ===
 Line 20:
-V našem případě pro '''f = 11.5 GHz''' je '''KR = 1.224867'''
-Line 35:
+Line 33:
-||12.1||1.257603||
||12.2||1.251749||
||12.3||1.245982||
||12.4||1.240274||
||12.5||1.234655||
||12.6||1.229113||
||12.7||1.223641||
||12.8||1.218258||
||12.9||1.212948||
||13.0||1.207726||
-Line 46:
+Line 34:
-==== Ideální vedení ====
+attachment:rollet.png

V našem případě pro '''f = 11.5 GHz''' je '''KR = 1.224867'''. Kritérium stability je tedy splňeno.

=== Ideální vedení ===
-Line 49:
+Line 41:
+attachment:vedeni_schema.png
-Line 53:
+Line 47:
- '''DelkaVed11 = 126.15 deg'''[[BR]]
 '''DelkaVed12 = 27.66 deg'''[[BR]]
 '''DelkaVed21 = 169.09 deg'''[[BR]]
 '''DelkaVed22 = 31.25 deg'''
+ '''Delka''''''Ved11 = 131.66 deg'''[[BR]]
 '''Delka''''''Ved12 = 26.81 deg'''[[BR]]
 '''Delka''''''Ved21 = 170.81 deg'''[[BR]]
 '''Delka''''''Ved22 = 30.50 deg'''
-Line 58:
+Line 52:
-Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení.
+Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení:

attachment:vedeni_grafy.png

=== Mikropáskové vedení ===

Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku '''w''' a efektivní permitivitu '''εeff'''.

 '''w = 1.746 mm'''[[BR]]
 '''εeff. = 3.222'''

Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení:

attachment:mikro_schema.png

Délky mikropáskového vedení jsme pak určili pomocí optimalizace '''S11 < -40dB''' a '''S22 < -40dB''' a pomocí režimu porovnání s grafem samotného tranzistoru s požadavky '''S11 = 0dB''' a '''S22 = 0dB'''. Alternativní způsob je použít délku ideálního vedení a zkrátit ji s ohledem na rychlost šíření vlny v mikropáskovém vedení. 

 '''Delka''''''Mi11 = 14.47 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi12 = 5.93 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi21 = 1.75 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi22 = 5.79 mm'''

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení:

attachment:mikro_grafy.png

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):
 '''BW = 110 MHz'''			 

Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafu S12):
 '''BW = 1.092 GHz'''

=== Diskrétní součástky ===

Nejdříve jsme si zobrazili vstupní (Z11) a výstupní (Z22) impedanci nepřizpůsobeného zesilovače. Z grafu jsme odečetli:
 '''Z11.Re = 18.856'''[[BR]]
 '''Z11.Im = 17.918'''[[BR]]
 '''Z22.Re = 23.938'''[[BR]]
 '''Z22.Im = -15.255'''

Potom jsme pomocí podprogramu Smith Chart obvod přizpůsobili.

attachment:diskr_schema.png

Hodnoty součástek po následné optimalizaci vyšly:
 '''C1 = 498.357 fF'''[[BR]]
 '''L1 = 2.70074 fH'''[[BR]]
 '''C2 = 479.770 fF'''[[BR]]
 '''L2 = 470.204 pH'''

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):
 '''BW = 249 MHz'''

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek:

attachment:diskr_grafy.png

=== Výtěžnost ===
-Line 62:
+Line 113:
-Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku w, vln. délku λg a efektivní permitivitu εeff.
+Bohužel se mi nepodařilo najít uspokojivé hodnoty a proto se výtěžnost přesahující požadovaných 90% vyskytuje pouze u segmentu 1-1.
-Line 64:
+Line 115:
- '''w = 1,755 mm'''[[BR]]
 '''λg = 13,908 mm'''[[BR]]
 '''εeff. = 3,231'''
+Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení):
-Line 68:
+Line 117:
-Délky mikropáskového vedení jsme pak určili pomocí optimalizace '''S11 < -40dB''' a '''S22 < -40dB''' a pomocí režimu porovnání s grafem samotného tranzistoru s požadavky '''S11 = 0dB''' a '''S22 = 0dB'''. Alternativní způsob je použít délku ideálního vedení a zkrátit ji s ohledem na rychlost šíření vlny v mikropáskovém vedení.
+attachment:mikro_yield11.png
-Line 70:
+Line 119:
- '''DelkaMi11 = 25,40 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi12 = 1,38 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi21 = 8,63 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi22 = 5,41 mm'''
+attachment:mikro_yield12.png
-Line 75:
+Line 121:
-Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení.
+attachment:mikro_yield21.png
-Line 77:
+Line 123:
-Vzhledem k rozměrům, které by výsledně mohly činit potíže při případné realizaci zesilovače, jsem vedení upravil o násobky půlvln. Po odečtení daných hodnot a následné optimalizaci vyšly hodnoty:
+attachment:mikro_yield22.png
-Line 79:
+Line 125:
- '''DelkaMi11 = 4,76 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi12 = 1,18 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi21 = 1,61 mm'''[[BR]]
 '''DelkaMi22 = 5,59 mm'''
+Motiv mikropásku:
-Line 84:
+Line 127:
-Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení.

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):
 '''BW = 189 MHz'''[[BR]]
 '''BW% = 1,57 %'''			 

Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafu S12):
 '''BW = 189 MHz'''
+attachment:mikro_motiv.png
-Line 95:
+Line 131:
-Nejdříve jsme si zobrazili vstupní (Z11) a výstupní (Z22) impedanci nepřizpůsobeného zesilovače. Z grafu jsme odečetli:
 '''Z11.Re = 21,249'''[[BR]]
 '''Z11.Im = 22,718'''[[BR]]
 '''Z22.Re = 23,884'''[[BR]]
 '''Z22.Im = -13,223'''
+Co se týče výtěžnosti u diskrétních součástek, vůbec se mi nepodařilo z WinMide dostat smysluplné výsledky.
-Line 101:
+Line 133:
-Potom jsme pomocí podprogramu Smith Chart obvod přizpůsobili.
+=== Závěr ===
-Line 103:
+Line 135:
-Hodnoty součástek po následné optimalizaci vyšly:
 '''L1 = 26,51 pH'''[[BR]]
 '''C1 = 308,55 fF'''[[BR]]
 '''L2 = 506,61 pH'''[[BR]]
 '''C2 = 277,37 fF'''

Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):
 '''BW =  MHz'''[[BR]]
 '''BW% = 0,75 %'''

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek.

==== Výtěžnost ====

a) Mikropáskové vedení:

Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení).

Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
 '''ΔDelkaMi11 = 2%'''[[BR]]
 '''ΔDelkaMi12 = 2%'''[[BR]]
 '''ΔDelkaMi21 = 1%'''[[BR]]
 '''ΔDelkaMi22 = 1%'''

b) Diskrétní součástky

Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (diskrétní součástky).

Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
 '''ΔL1 = 3,0%'''[[BR]]
 '''ΔC1 = 1,6%'''[[BR]]
 '''ΔL2 = 3,0%'''[[BR]]
 '''ΔC2 = 2,5%'''

==== Závěr ====

Při porovnání obvodu s diskrétními součástkami s obvodem s mikropásko-vým vedením, jsou parametry prvního obvodu o něco lepší. Nicméně vzhledem k velmi malým velikostem jednotlivých součástek L, C není možné tento obvod v praxi sestrojit, proto je zbytečné se jím dále zabývat.

Pro obvod s mikropáskovým vedením je šířka pásma pro přizpůsobení -20dB BW = 60MHz, resp. 0,4%. Jedná se tedy o velmi úzkopásmový zesilovač. Tolerance jednotlivých délek vedení pro výtěžnost alespoň 90% se pohybuje od 0,5 do 1%, což je ještě přijatelná hodnota. Jak jsem již uvedl výše, všechny délky vedení jsem zvětšil o půl vlnové délky, a to kvůli snazší realizaci. Při původních rozměrech, by mohl nastat problém při vytváření spojů jednak mezi vedením a tranzistorem, ale i mezi vedením a vstupním, resp. výstupním konektorem.
+I přes některé problémy s programem WinMide se mi nakonec podařilo obvod optimalizovat podle zadání. Jediným nepřekonatelným problémem pro mne zůstala výtěžnost.