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:
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.
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:
Potom jsme pomocí podprogramu Smith Chart obvod přizpůsobili.
attachment:diskr_schema.png
Hodnoty součástek po následné optimalizaci vyšly:
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
Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (mikropáskové vedení).
![/!\](/moin_static1910/podgorny/img/alert.png "/!\"){kind=small}
Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
Motiv mikropásku.
attachment:mikro_motiv.png
Diskrétní součástky
Zobrazení výtěžnosti pro 5000 pokusů (diskrétní součástky).
Pro výtěžnost alespoň 90% vychází tolerance jednotlivých délek následovně:
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.