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
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

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, vln. délku λg a efektivní permitivitu εeff.

w = 1.746 mmBR $/!\$ λg = 13.908 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 = 189 MHzBR BW% = 1,57 %

$/!\$ Šířka pásma pro pokles přenosu -3dB (z grafu S12):

BW = 189 MHz

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:

L1 = 26,51 pHBR C1 = 308,55 fFBR L2 = 506,61 pHBR C2 = 277,37 fF

$/!\$ Šířka pásma pro -20 dB (z grafu S11):

BW = MHzBR BW% = 0,75 %

Grafické znázornění s-parametrů pro přizpůsobení pomocí diskrétních součástek.

attachment:diskr_grafy.png

Výtěžnost

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%

Motiv mikropásku.

attachment:mikro_motiv.png

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.