Проектирование широкополосных транзисторных усилителей СВЧ

5.2.1. Проектирование каскада с ООС за счет цепи между коллектором и базой

Из изложенного в 5.1 очевидно, что полоса пропускания и коэффициент передачи одного каскада ШПУ определяются исключительно значением и частотной зависимостью , поэтому транзистор для ШПУ выбирается по его -параметрам. Эти параметры обычно приводятся в «datasheets», которые можно найти в Интернете, а также в библиотеках моделей транзисторов во многих программных пакетах (Microwave Office, Genesis, ADS и др.). Поэтому, если задан КП и , то подойдут те транзисторы, у которых на максимальной частоте . Далее рассмотрим пример расчета ШПУ и его моделирования в пакете Microwave Office (MWO). Пусть необходимое значение К = 13 дБ (в разах это равно 4.47). Обратившись к данным по коэффициентам матрицы рассеяния некоторых транзисторов СВЧ фирмы «Инфинеон», приведенным в …...\AWR2004\Library\Models\Linear\Data\, выбираем транзистор BFP52020, который при напряжении питания 2.5 В и токе коллектора 20 мА имеет соответствующие -параметры. Для него = 3.780, а = 31.608. Прежде всего определим потенциальную устойчивость транзистора. Для этого в программе AWR2004 (MWO) создадим проект Wba0 и сразу запомним его (Save Project As…). Далее в меню Options\Project Options в закладке Frequencies введем Start(GHz) – 0.1, Stop(GHz) ‒ 6, Step(GHz) – 0.1, затем поставим точку в кружке Apply и нажмем на ОК. Таким образом задается диапазон частот моделирования. Далее необходимо ввести в проект данные - параметров транзистора. Для этого в меню Project\Add Data File\Import Data File последовательно открываем директории библиотек моделей и в ...AWR2004\Library\Models\Linear\Data выбираем файл BFP52020, после чего в директории Data Files в окне проекта (слева на экране) появится значок подсхемы с наименованием файла. Далее в меню Project\Add Schematic\New Schematic открываем окошко, в котором присваиваем имя схемы – Wba0. После этого справа открывается поле схемы, на котором необходимо разместить ее элементы. Открываем закладку Elem (слева внизу), щелкаем по Subcircuits, после чего внизу появляется значок подсхемы транзистора с его названием, который перетаски ва ем на поле схемы. Первоначально у него только 2 вывода, а в дальнейшем потребуется трехвыводный значок, поэтому щелчком по нему открываем его окно, затем в закладке Ground ставим точку в кружке Explicit Ground Node, после чего появляется трехвыводный значок. К нижнему выводу присоединяем значок Ground («земля»), который берется в строке инструментов вверху справа. Оттуда же берем порты Port, которые присоединяются к правому и левому выводам. Соединение производится при нажатой левой кнопке мыши с помощью курсора ‒ пружинки. Полученная схема изображена на рис. 5.5. Прежде всего закажем график для коэффициента устойчивости. Для этого в меню Project\Agg Graph закажем Graph 1 в прямоугольной (Rectangular) системе координат, далее в меню Project\Add Measurement откроем окно измерений и в нем выберем слева Linear, правее ‒ К, еще правее (сверху вниз) ‒ Wba0, далее ‒ Use for all axes. График для К показан на рис. 5.6. Из графика видно, что транзистор абсолютно устойчив только на частотах выше 3 ГГц. Для стабилизации транзистора разорвем цепь между левым портом и левым

выводом подсхемы и включим в разрыв активное сопротивление (100 Ом) и параллельно ему емкость (1 пФ). Изменяя значения сопротивления и емкости (это удобно делать с помощью органов подстройки ‒ см. далее) и наблюдая изменения на графике К, получаем значения = 170 Ом, = 1.59 пФ. График К для этого случая приведен на рис. 5.7. Схема транзистора со стабилизирующими элементами приведена на рис. 5.8. Далее измерим элементы МР стабилизированного транзистора. Для этого в меню Project/Add Graph закажем график Graph 2 в прямоугольной системе координат, в меню Project/Add Measurement откроем окно измерений и в нем выберем слева Linear/Port Parameters, правее ‒ , еще правее (сверху вниз) ‒ Mba0, 2, 1, Use for all axes, поставим птичку в квадратике dB и точку в кружке Mag. Этими установками заказывается измерение во всем диапазоне частот.

Можно констатировать, что несколько уменьшился, но не катастрофически. Зафиксируем предельные значения: на частоте 0.1 ГГц – 25.87 дБ, на частоте 6 ГГц – 11.68 дБ, На частоте 3 ГГц – 16.34 дБ. Таким образом, получены данные для расчета схемы. Имея абсолютно устойчивый транзистор, можно перейти к расчету сопротивления цепи отрицательной обратной связи: . Емкость необходима для того, чтобы постоянная составляющая напряжения не могла изменить режим работы транзистора по постоянному току. Зададимся полосой пропускания усилителя от 0.1…6 ГГц и КП = 13 дБ (4.47). Для определения сопротивления воспользуемся выражением:

Так как это сопротивление значительно больше чем , будем считать, что сопротивление индуктивности равно приблизительно 400 Ом, откуда нГн. Значение емкости должно быть таким, чтобы ее сопротивление на минимальной частоте 0.1 ГГц было бы много меньше активного сопротивления. Пусть ее сопротивление равно 1 Ом, тогда

Выберем номинал 2 нФ. Добавив рассчитанную цепочку к схеме на рис. 5.8, получим схему, представленную на рис. 5.10. Закажем график КП Graph 2, для чего снова запустим расчет. В результате получим график, приведенный на рис. 5.11.

в цепи эмиттера

Будем использовать тот же стабилизированный транзистор (см. рис. 5.8), и зададим К = 13 дБ = 4.16 в диапазоне частот до 6 ГГц. Откроем проект ampl1 и в схему для измерения

коэффициента устойчивости включим сопротивление 4 Ом между нижним выводом иконки транзистора и «землей», закажем график Graph K, затем Add Measurement, в окне укажем Linear/K, в окне Data Source Name ‒ имя схемы. Нажмем на кнопку запуска расчета и выведем график. Вернемся к схеме, нажмем на кнопку с движком и указателем пометим номиналы обоих сопротивлений и емкости. Регулируя движки, добьемся положения кривой над линией 1 во всем диапазоне частот (рис. 5.14). Схема со значениями номиналов приведена на рис. 5.15.

Закажем измерение для этой же схемы, график на рис. 5.16: на минимальной частоте 13.3, на частоте 5.3 ГГц ‒ 12.38 дБ = 4.16.

Определим значение , необходимое для частоты 0.1ГГц: . Тогда Ом. Значение емкости примем порядка 15 пФ. В схеме на рис. 5.15 изменим значение R2, присоединим параллельно ему емкость С2 = 15 пФ и выведем график (рис. 5.17).

Оптимизируя с помощью движковых регуляторов оба сопротивления и обе емкости получим график на рис. 5.18. Максимальное отклонение от значения 13 дБ составляет 0.84 дБ, или 10 %. Оптимизированная схема представлена на рис. 5.19.

5.3. О каскадировании усилителей

Для получения достаточно большого усиления используются усилители, состоящие из нескольких каскадов. КП такого усилителя равно сумме КП отдельных его каскадов (в децибелах)

Из графика видно, что реактивная проводимость невелика, а вещественная проводимость должна быть увеличена до значения 0.02 на частоте 3 ГГц. Для этого параллельно входу подключим проводимость (сопротивление 139 Ом). Подсоединим на схеме такое сопротивление и снова выведем график проводимостей (рис. 5.21). Из графика видно, что каскад хорошо согласован по входу во всем диапазоне частот. Теперь выведем график КП, из которого очевидно, что

схема нуждается в оптимизации. Использовав кнопки с движком, снова оптимизируем схему и получаем график КП, изображенный на рис. 5.22. Затем снова проверяем согласование по входу, выводя Graph 6, из которого следует, что согласование практически не изменилось, но верхняя граница полосы пропускания уменьшилась до 5.5 ГГц. Оптимизированная схема показана на рис. 5.23. Проделаем то же самое для усилителя с эмиттерной цепью ООС. Откроем проект ampl 1, создадим новый график Graph 3 и выведем вещест венную и мнимую части входной проводимости (рис. 5.24). График показывает, что в высокочастотной части диапазона вещественная часть отрицательна, что свидетельствует о неустойчивости каскада. Следовательно, параллельно входу нужно подсоединить сопротивление 50 Ом. После этого график (рис. 5.25) стал вполне удовлетворительным. Теперь выведем график КП (рис. 5.26): очевидно, что необходима оптимизация, после которой график КП примет вид рис. 5.27. Оптимизированная схема приведена на рис. 5.28. Верхняя граница полосы пропускания уменьшилась до 5 ГГц. Характе ристики входной проводимости приемлемы.

Далее необходимо найти значения сопротивлений ( на рис. 5.2), определяющих режим усилителя по постоянному току. Сделаем это сначала для первого варианта усилителя. Для выбора элементов схемы откроем закладку Elem (внизу слева), транзистор выберем, открыв Library\Nonlinear\Infineon\Gbjt В нижней части окна Elem появятся иконки всех транзисторов, имеющихся в файле Gbjt, выберем иконку BFP520 и перетащим ее в поле схемы. Сопротивления, емкости и индуктивности находятся в Lumped Elements (выбираем иконки с теми названиями, которые приведены на рис. 5.29 ‒ RES, CAP, IND). Источник питания DCVS находится в Sources, источник гармонического сигнала с частотой 1ГГц ‒ там же.

Далее поместим курсор мыши на поле схемы, нажмем на левую кнопку, после чего появится иконка в виде пружинки, концом которой соединяются все элементы схемы.

Необходимо поместить на схему иконку «земли» (общего провода) ‒ Gnd, находящуюся там же, где и Port. Номиналы элементов вводятся в окнах, открывающихся после щелчка на элементе. В окне ASVSN запишем установки, приведенные около его иконки. Сопротивления должны быть подобраны так, чтобы среднее значение коллекторного тока было 20 мА. Примем значения их по 5 кОм. Для подбора сопротивлений выберем Project/Add Graph, выберем график в прямоугольных координатах и назовем его Graph 1.

Далее выберем Project\Add Measurement и в открывшемся окне слева выберем Nonlinear\Current, в окне правее – Itime, в малых правых окнах, сверху вниз – Wba1, DCVS.V1, None, Plot all trace, затем щелкнем ОК и нажмем на кнопку с желтой молнией на панели инструментов. После окончания расчета щелкнем по Graph 1 в окне проекта, после чего появится график, похожий на изображенный на рис. 5.30. Для выбора значения сопротивления нажимаем на кнопку с движком Tune и курсором указываем на номинал . Затем снова запускаем расчет и движком устанавливаем средний ток порядка 20 мА и получаем график, представленный на рис. 5.30 . Далее определим для второго варианта усилителя. Переделаем схему, установив соответствующее сопротивление в цепи эмиттера, и повторим все процедуры. В результате получим график, похожий на рис. 5.30.