Differences between revisions 10 and 29 (spanning 19 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

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.

-  ⇤ ← Revision 10 as of 2005-01-12 11:23:01 → 
  Size: 6128
  Editor: RadekPodgorny
  Comment:
+   ← Revision 29 as of 2008-01-18 12:56:20 → ⇥
  Size: 4869
  Editor: localhost
  Comment: converted to 1.6 markup
-Deletions are marked like this.
+Additions are marked like this.
 Line 3:
-Zápočtová práce z předmětu CAD pro vf. techniku
+Zápočtová práce z předmětu CAD pro vf. techniku. Vypracoval '''Radek Podgorný'''.
 Line 21:
-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:
-attachment:rollet.png
+{{attachment:rollet.png}}

V našem případě pro '''f = 11.5 GHz''' je '''KR = 1.224867'''. Kritérium stability je tedy splňeno.
-Line 52:
+Line 42:
-attachment:vedeni_schema.png
+{{attachment:vedeni_schema.png}}
-Line 57:
+Line 47:
- '''Delka''''''Ved11 = 131.66 deg'''[[BR]]
 '''Delka''''''Ved12 = 26.81 deg'''[[BR]]
 '''Delka''''''Ved21 = 170.81 deg'''[[BR]]
+ '''Delka''''''Ved11 = 131.66 deg'''<<BR>>
 '''Delka''''''Ved12 = 26.81 deg'''<<BR>>
 '''Delka''''''Ved21 = 170.81 deg'''<<BR>>
-Line 62:
+Line 52:
-Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení.
+Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí ideálního vedení:
-Line 64:
+Line 54:
-attachment:vedeni_grafy.png
+{{attachment:vedeni_grafy.png}}
-Line 68:
+Line 58:
-Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku w, vln. délku λg a efektivní permitivitu εeff.
+Pomocí HF Lines – Synthesis jsme určili šířku pásku '''w''' a efektivní permitivitu '''εeff'''.
-Line 70:
+Line 60:
- '''w = 1.746 mm'''[[BR]]
 /!\ '''λg = 13.908 mm'''[[BR]]
+ '''w = 1.746 mm'''<<BR>>
-Line 74:
+Line 63:
-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.
+Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení:
-Line 76:
+Line 65:
- '''Delka''''''Mi11 = 14.47 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi12 = 5.93 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi21 = 1.75 mm'''[[BR]]
+{{attachment:mikro_schema.png}}

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. 

 '''Delka''''''Mi11 = 7.21 mm'''<<BR>>
 '''Delka''''''Mi12 = 5.93 mm'''<<BR>>
 '''Delka''''''Mi21 = 1.75 mm'''<<BR>>
-Line 81:
+Line 74:
-Schéma zapojení pomocí mikropáskových vedení.
+Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení:
-Line 83:
+Line 76:
-attachment:mikro_schema.png
+{{attachment:mikro_grafy.png}}
-Line 85:
+Line 78:
-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:
+Šířka pásma pro -20 dB (z grafů S11 a S22):
 '''BW = 110 MHz'''<<BR>>
 '''BW = 188 MHz'''
-Line 87:
+Line 82:
- '''Delka''''''Mi11 = 4,76 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi12 = 1,18 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi21 = 1,61 mm'''[[BR]]
 '''Delka''''''Mi22 = 5,59 mm'''

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí mikropáskového vedení.

attachment:mikro_grafy.png

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'''
+Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafů S12 a S21):
 '''BW = 1.092 GHz'''<<BR>>
 '''BW = 1.749 GHz'''
-Line 106:
+Line 89:
- '''Z11.Re = 21,249'''[[BR]]
 '''Z11.Im = 22,718'''[[BR]]
 '''Z22.Re = 23,884'''[[BR]]
 '''Z22.Im = -13,223'''
+ '''Z11.Re = 18.856'''<<BR>>
 '''Z11.Im = 17.918'''<<BR>>
 '''Z22.Re = 23.938'''<<BR>>
 '''Z22.Im = -15.255'''
-Line 113:
+Line 96:
-attachment:diskr_schema.png
+{{attachment:diskr_schema.png}}
-Line 116:
+Line 99:
- '''L1 = 26,51 pH'''[[BR]]
 '''C1 = 308,55 fF'''[[BR]]
 '''L2 = 506,61 pH'''[[BR]]
 '''C2 = 277,37 fF'''
+ '''C1 = 498.357 fF'''<<BR>>
 '''L1 = 2.70074 fH'''<<BR>>
 '''C2 = 479.770 fF'''<<BR>>
 '''L2 = 470.204 pH'''
-Line 121:
+Line 104:
-Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):
 '''BW =  MHz'''[[BR]]
 '''BW% = 0,75 %'''
+Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek:
-Line 125:
+Line 106:
-Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek.
+{{attachment:diskr_grafy.png}}
-Line 127:
+Line 108:
-attachment:diskr_grafy.png
+Šířka pásma pro -20 dB (z grafů S11 a S22):
 '''BW = 249 MHz'''<<BR>>
 '''BW = 433 MHz'''
-Line 129:
+Line 112:
-=== Výtěžnost ===
+Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafů S12 a S21):
 '''BW = 3.008 GHz'''<<BR>>
 '''BW = 3.231 GHz'''
-Line 131:
+Line 116:
-a) Mikropáskové vedení:

Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení).
+=== Výtěžnost mikropáskového vedení ===
-Line 136:
+Line 119:
- '''ΔDelka''''''Mi11 = 2%'''[[BR]]
 '''ΔDelka''''''Mi12 = 2%'''[[BR]]
 '''ΔDelka''''''Mi21 = 1%'''[[BR]]
+ '''ΔDelka''''''Mi11 = 1%'''<<BR>>
 '''ΔDelka''''''Mi12 = 1%'''<<BR>>
 '''ΔDelka''''''Mi21 = 1%'''<<BR>>
-Line 141:
+Line 124:
-b) Diskrétní součástky
+Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení):
-Line 143:
+Line 126:
-Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (diskrétní součástky).
+{{attachment:mikro_yield11.png}}
-Line 145:
+Line 128:
-Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
 '''ΔL1 = 3,0%'''[[BR]]
 '''ΔC1 = 1,6%'''[[BR]]
 '''ΔL2 = 3,0%'''[[BR]]
 '''ΔC2 = 2,5%'''
+{{attachment:mikro_yield12.png}}

{{attachment:mikro_yield21.png}}

{{attachment:mikro_yield22.png}}

Motiv mikropásku:

{{attachment:mikro_motiv.png}}
-Line 153:
+Line 140:
-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 Win''''''Mide se mi nakonec podařilo obvod optimalizovat podle zadání. Jediným nepřekonatelným problémem pro mne zůstala výtěžnost.