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.

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.