Проектирование ГУН с сосредоточенной индуктивностью

В задании на разработку ГУН указывается: рабочая (центральная) частота, пределы перестройки частоты и уровень выходного сигнала в дБм. В процессе разработки с помощью пакета программ Microwave Office 2004 необходимо создать схему ГУН, который бы обеспечил заданные параметры, и измерить его характеристики. Прежде всего необходимо выбрать подходящий транзистор. Основными параметрами, по которым производится выбор, являются частота единичного усиления и мощность рассеяния . Эти данные можно найти в справочных листках (datasheets) фирм, выпускающих транзисторы. Следует выбирать транзисторы с в 3…10 раз больше рабочей частоты и больше выходной мощности в 5…10 раз. В таблице 6.1 сведены основные данные по шести СВЧ -транзисторам, выпускаемым фирмой Infineon.

Таблица 6.1

Обозначение	Тип	Корпус	Частота , ГГц	, Вт	, В	, мА
Bfr 183	SiТNPN	SOT23		0.45
Bfr 360	Si NPN	TSFP 3		0.21
Bfp 640	SiGe NPN	SOT 343		0.2
Bfp 740	SiGe NPN	SOT 343		0.16
Bfp 520	SiGe NPN	SOT 343		0.1
Bfp 620	SiGe NPN	SOT 343		0.185	7.5

В обозначении типа транзистора Si означает кремниевый, SiGe означает гетероструктуру кремний-германий, – частота единичного усиления, – максимально допустимая мощность рассеивания на коллекторе, – максимальное напряжение между коллектором и эмиттером, – максимальный ток коллектора. В программе MWO в директории Library/Models/Nonlinear/Infineon содержатся данные только одного транзистора и одного диода, поэтому данную директорию надо заменить другой, с тем же названием, в которую включено достаточное количество транзисторов, варикапов и смесительных диодов. Данные о емкостях и индуктивностях корпусов транзисторов приведены в справочных листках (datasheets) фирмы Infineon. Рассмотрим пример разработки ГУН на среднюю частоту 3.7 ГГц, с пределами перестройки порядка и выходной мощностью 6 дБм (мощность, равная 4 мВт).

Наиболее подходящим является биполярный транзистор BFR 360F, у которого порядка 14 ГГц и Вт. Рекомендуемый режим для него: напряжение питания 3.5 В, ток коллектора 15 мА. Определим статичеcкую крутизну для BFR360. Для этого запустим программу MWO и в меню Project закажем Project/Schematic/New Schematic, которую назовем Schematic 1. В закладке Elements выберем Library/Nonlinear/Infineon/Gbjt. Из появившегося списка на поверхность поля схемы перетянем значок транзистора BFR360, а затем выберем MeasDevice/IV и из списка перетянем значок IVCurve, после чего соберем схему, показанную на рис. 6.3.

Щелкнув по значку IVCurve в появившемся окне выставляем пределы изменения напряжения база-эмиттер и шаг этих изменений (категория

VSWEEP), а также значения напряжений коллектор-эмиттер (категория VSTEP). Затем в меню Project заказываем график ‒ Project/Add Graph, который назовем IV BFR360, далее в Project/ Add Measurements заказываем: слева ‒ Nonlinear/Current, в центре ‒IVCurve, сверху справа ‒ Schematic 1, ниже ‒ Use for x axes, еще ниже ‒ Plot all traces. Нажимаем на кнопку ОК, затем на кнопку с желтой молнией (в верхнем ряду кнопок) и получаем график, показанный на рис. 6.4. С помощью маркера, вызываемого правой кнопкой мыши, определяем значения токов на краях горизонтальной оси. Спрямив кривую ВАХ, получаем точку отсечки тока порядка 0.7 В. Тогда статическая крутизна определится как мА/В. Теперь необходимо выбрать значение индуктивности. Обычно характеристическое сопротивление контура выбирают порядка 100 Ом, тогда мкГн, или 4.3 нГн. Значение полной емкости КК будет равно пФ.

Далее определим значение коэффициента обратной связи из квадратного уравнения вида: , где . Решение уравнения имеет вид . Знак при корне выбирается на основании того, что решение должно быть существенно меньше единицы (второе решение дает значение , большее единицы, поэтому оно неприемлемо). При 60º, А = 23.14 и . Возьмем некоторый запас и примем . Полная емкость КК может быть определена как , откуда пФ. Емкость пФ.

Теперь необходимо оценить возможность самовозбуждения в заданном интервале частот с помощью программы MWO. Работу АГ как системы с положительной обратной связью можно рассматривать с другой точки зрения – как систему, вносящую в КК АГ отрицательное сопротивление или проводимость, которые компенсируют сопротивление или проводимость потерь в КК, обеспечивая, таким образом, условия «баланса амплитуд» (условия генерации незатухающих колебаний). Можно показать, что вносимая в КК отрицательная проводимость равна . Эта проводимость создается цепью положительной обратной связи. Коэффициент отражения от произвольной нагрузки определяется отношением Γ , где ‒ характеристическая проводимость, ‒ проводимость нагрузки. Если проводимость нагрузки отрицательна, коэффициент отражения будет больше единицы. Тогда, измеряя на зажимах база/коллектор транзистора АГ, охваченного положительной обратной связью, можно определить, на каких частотах создается отрицательная проводимость. Для измерения создадим проект в программе MWO. Откроем программу и выберем File/New Project (назовем его amposc), далее Project/ Add Schematic/ New Schematic (назовем схему так же). После этого откроется схемное окно, в котором собирается схема с емкостями обратной связи. Откроем закладку Elements внизу слева и, прежде всего, выберем транзистор по пути Elements/Nonlinear/Library/Infineon/Gbjt. Из открывшегося списка выбираем BFR360 и перетаскиваем его символ на поверхность окна схемы. Далее из справочного листка для этого транзистора берем схему дополнительных индуктивностей и емкостей для его корпуса и присоединяем их к символу транзистора в соответствии с рис. 6.5. Номиналы их записываются в соответствующие окна, открывающиеся после щелчка по элементу. Далее в схему помещаются остальные элементы в соответствии с рис. 6.6. Сопротивления RES берутся из Elements/ Lumped Element/ Resistor, емкости CAP ‒ из Capacitor, индуктивности IND ‒ из Inductor, источник питания DCVS ‒ из Sources/DC. Окончательно схема имеет вид рис. 6.6. Здесь индуктивности выполняют роль дросселей, емкость – разделительная, емкости – цепь обратной связи. Порты берутся из панели инструментов, как и символ заземления. Символ амперметра включен для измерения тока потребления. Далее выбираем диапазон частот: Options/ Project Option/ Frequencies/ Start – 3 GHz, Stop – 4.5 GHz, Step ‒ 0.1 GHz, Apply, OK. Затем переходим к измерениям: заказываем график Project/ Add Graph, назовем его Graph 1, далее Project/ Add Measurement. В открывшемся окне выбираем: Meas Type/ Port Parameter, Measurement ‒ S, Data Source Name ‒ amposc, To Port Index ‒ 1, From Port Index ‒ 1, Sweep Freq (FDOC) ‒ Use for x-axes, ставим точку в кружке Mag, затем ОК. Для запуска моделиро вания нажимаем на кнопку с желтой молнией. После окончания расчета выводится график зависимости модуля от частоты (нижняя кривая рис. 6.7). Нажимая на правую клавишу мыши, вызываем маркеры (Add Marker) и измеряем значение модуля в заданном диапазоне частот. Для гарантированного самовозбуждения необходимо, чтобы он был больше 1 на интервале этого диапазона.

Далее измерим потребление тока. Для этого закажем еще одно измерение Add Measurements, в окне которого слева выберем: Nonlinear/Current, в центре ‒ Icomp, справа сверху вниз ‒ amposc, DCVSV1, 0 (Harmonic Index), Use for x-axes, поставим точку в кружке Mag. Нажав ОК и кнопку с желтой молнией выводим на тот же график постоянную составляющую тока (практически коллекторного тока) и .

Из рис. 6.7 видно, что отрицательная проводимость отсутствует ( ) во всем диапазоне частот. Таким образом, в заданном диапазоне самовозбуждение невозможно. Увеличив коэффициент обратной связи (пересчитанные емкости ‒ 2.0 пФ, пФ; суммарная емкость всегда должна оставаться равной 0.43 пФ) и заменив номиналы емкостей на схеме, получаем график, где во все диапазоне превышает единицу и самовозбуждение возможно во всем заданном диапазоне. Если значение тока не равно примерно 15 мА, настройка производится изменением сопротивления . Индуктивности и емкости влияют на мнимую составляющую проводимости порта , которая должна быть компенсирована индуктивностью КК. В связи с этим следующим шагом будет определение реактивной проводимости порта. Для этого заказываем следующее измерение ‒ Graph 2, Add Measurements, в окне Modify Measurement устанавливаем: Linear/ Port Parameters, Measurement ‒ Y, Data Source Name ‒ amposc, To Port Index ‒ 1, From Port Index ‒ 1, Sweep Freq(FDOC) ‒ Use for x-axes, ставим точку в кружке Image и нажимаем кнопку с молнией, получая график (рис. 6.8). С помощью маркера определяем точное значение реактивной входной проводимости порта Р1 на средней частоте заданного диапазона частот – 3.7 ГГц. Оно оказывается равным 0.0592, т.е. имеет емкостный характер и значение емкости пФ. Компенсирующая индуктивность: нГн.

Так как емкость цепочки последовательного соединения равна, согласно ранее выполненному расчету, 0.43 пФ, то емкость, вносимая схемой, определится как 2.546 – 0.43 = 2.116 пФ. Тогда схему КК можно представить в виде рис. 6.9. Параллельное соединение можно заменить эквивалентной индуктивностью нГн. Таким образом, параметры реального КК точно соответствуют расчетным. Далее переходим к разработке собственно ГУН. Частота, генерируемая ГУН, управляется варикапом, включенным в его КК. Варикап может быть включен в КК параллельно индуктивности или последовательно с ней. Последний вариант предпочтительнее, так как при этом все рассчитанные емкости останутся неизменными. Последовательное включение емкости варикапа и индуктивности должно иметь реактивное сопротивление, равное сопротивлению индуктивности . Следовательно, должно удовлетворяться уравнение , откуда . Выбор варикапа определяется необходимым диапазоном перестройки ГУН. Пусть отношение максимальной емкости варикапа к минимальной , а диапазон перестройки , тогда можно показать, что они связаны отношением , где . Обычно значение мало отличается от единицы, поэтому будет справедлива оценка . Эта оценка служит критерием выбора варикапа (данные о есть в справочных листках). В таблице 6.2 приведены основные данные СВЧ варикапов фирмы Infineon.

Таблица 6.2

Как правило, чем выше частота ГУН, тем меньшей должна быть емкость варикапа. С этой точки зрения варикап BBY 53 должен использоваться в высокочастотных ГУН, а BBY 56 в низкочастотных.

Выберем варикап SD_D353_1 из закладки Elements/Library/Nonlinear/Infineon/Sdiode, регулируемый источник питания варикапа DCVSS из Elements/Sources/DC. Варикап соединен последовательно с индуктивностью КК и через нее заземлен по постоянному току. Будем считать, что максимальное управляющее напряжение равно 5 В, минимальное ‒ 1 В. Изменение емкости варикапа может быть определено по вольт-фарадным характеристикам в справочном листке. Если эти данные недоступны, можно использовать SPICE ‒ модель варикапа. Для этого создадим еще один проект, который назовем “Varactor” (английский аналог названия «варикап»), а в нем схему, показанную на рис. 6.10. На этой схеме индуктивность L1 изолирует варикап по высокой частоте от управляющего его емкостью источника питания DCVSS, а емкость С1 шунтирует источник на «землю». Далее закажем график зависимости реактивной проводимости варикапа от управляющего им напряжения. Для этого в окне Modify Measurement выберем – Meas. Type – Linear/Port Parameter, Measurement – Y, Simulator – Hspice, Data Source Name – varactor, To Port Index – 1, From Port Index – 1, Sweep Freq(FDOC) – 3.7 GGz,

DCVSS.V1 – Use for x-axis, поставим точку в кружке Imag, затем ОК. Нажав на кнопку с молнией, выводим график, показанный на рис. 6.11. Среднее значение реактивной части проводимости варикапа на частоте 3.7 ГГц равно 0.07594 при управляющем напряжении 2.44 В. Емкость варикапа пФ. Последовательное включение варикапа и индуктивности на частоте 3.7 ГГц должно быть эквивалентно индуктивности 0.92 нГн.

Тогда нГн. Затем открываем новый проект, называем его VCO (voltage controlled ocillator), что означает ГУН. Переносим на новую схему все, что есть на рис. 6.6, за исключением порта , и добавляем индуктивность КК , сопротивление , учитывающее потери в индуктивности и определяющее собственную добротность КК. . Пусть , тогда Ом. Далее в схему добавляются индуктивности дросселей и разделительные и блокировочные емкости.

Реактивные сопротивления индуктивностей на номинальной частоте должны быть больше сопротивлений подсоединенных к ним участков схемы, по крайней мере, в 100 раз. Разделительные и блокировочные емкости должны иметь реактивное сопротивление в 100 раз меньше. Порт подключается к выходу ГУН, которым является эмиттер транзистора. Дроссель, включенный в цепь эмиттера (номиналом 100 нГн на средней частоте ГУН) имеет сопротивление порядка 2000 Ом и предотвращает шунтирование КК резистором в цепи эмиттера (номиналом 51 Ом), обеспечивая достаточную добротность контура. Дроссель в цепи питания базы транзистора (такого же номинала) предотвращает шунтирование контура сопротивлениями питания цепи базы. Дроссель и емкость, подсоединенные к источнику питания (внизу справа) обеспечивают замыкание токов высокой частоты на «землю». Дроссель и емкость в цепи управляющего напряжения варикапа препятствует шунтированию последнего собственным сопротивлением источника V2. Сопротивления цепи питания базы остаются теми же, что для схемы на рис. 6.6. Также добавляются символы-иконки для обеспечения необходимых измерений – OSCAPROBE из Elements/MeasDevice/Probes и OSCNIOSE из Elements/MeasDevice/Controls. Первая необходима для измерения всех характеристик ГУН (кроме фазовых шумов), вторая ‒для измерения частотной зависимости фазовых шумов как функции отклонения от частоты генерации. Схема изображена на рис. 6.12.

Далее проверим зависимость генерируемой частоты от изменения управляющего напряжения на варикапе. Щелкаем левой клавишей мыши по источнику V2, который задает напряжение смещения на варикапе, и в открывшемся окне выставляем: VStart – 1v, VStop – 5v, VStep – 0.5V. Далее, щелкнув по OSCAPROBE, выставляем FStart – 3GHz, FStop – 4GHz, FStep – 200, VSteps – 40 (последние два значения определяют количество точек расчета ‒ 200 по частоте и 40 по напряжению). Затем выставляем в Options/Project Options/Frequencies те же значения, что и ранее.

Далее следует: Project/ Add Graph – Graph1, Project/ Add Measurement ‒ Nonlinear/Oscillator, OSCFREQ, Data Source Name ‒ osc, Sweep Freq (F_OSC) ‒ Plot all Traces, DCVSS_V2 ‒ Use for x-axes, OK. Нажимаем кнопку с желтой молнией и по окончании счета выводим график, изображенный на рис. 6.13. Из графика видно, что при изменении управляющего напряжения на варикапе от 1.3 до 4.5В частота изменяется в заданных пределах. Если частоты генерации сдвинуты в сторону большей частоты, необходимо несколько увеличить индуктивность контура, если в сторону уменьшения – уменьшить индуктивность. Щелкнув по L7, выставляем новое значение в появившемся окне. Теперь измерим спектр выходного сигнала ГУН на частоте 3.7 ГГц (напряжение на варикапе порядка 2.47 В). Для этого создадим Graph2, затем в окне Modify Measurement выбираем Nonlinear/Power, далее ‒ Pharm, затем Data Source Name ‒ osc, Measurement Component ‒ PORT_1, SweepFreq(F_OSC) ‒ Plot all Traces, DCVSS.V2 ‒ Vdc = 3.5 V, ставим точку в кружке Mag и птичку в квадрате dBm и нажимаем ОК. Далее нажимаем на кнопку с молнией и после окончания расчета получаем график, изображенный на рис. 6.14. С помощью маркеров (правая клавиша мыши – Add Marker) измеряются мощности всех гармонических составляющих. Мощность первой гармоники на частоте 3.702 ГГц равна 10 дБм, таким образом, требование по мощности к ГУН выполнено. Подсчитаем КПД, который равен отношению мощности переменной составляющей сигнала (сумма мощности всех гармоник, исключая постоянную составляющую) к полной мощности. Мощность, выраженная в дБм, пересчитывается в абсолютную мощность в милливаттах по формуле , где ‒ мощность в дБм. Тогда мощность переменной составляющей будет равна мВт, мощность постоянной составляющей равна 11.0 мВт. Следовательно, КПД равен 0.4936, что вполне соответствует этому параметру для реальных АГ. Теперь измерим форму сигнала на порте . Для этого добавим следующий график, затем Add Measurement и в окне Modify Measurements зададим: Meas. Type – Nonlinear/Voltage, Measurement – Vtime, Data Source Name – osc, Measurement Component – PORT_1, Offset – None, SweepFreq(F_OSC) – Plot all traces, DCVSS_V2 – Vdc=3.5 v. Далее нажмем кнопку с молнией и выведем график, приведенный на рис. 6.15.

Форма сигнала отличается от синусоидальной, так как уровень напряжения второй гармоники всего примерно в 6 раз меньше уровня первой гармоники.

Качество генерируемого сигнала зависит от его шумовых характеристик. Все активные и пассивные элементы схемы создают шумовые напряжения. Шумы, создаваемые активными сопротивлениями, зависят от значения сопротивления и его температуры, шумы пассивных реактивных элементов определяются их активными сопротивлениями потерь, шумы активных элементов (транзисторов, диодов) определяются низкочастотными фликкер-шумами (медленные флюктуации протекающих через элементы токов) и широкополосными тепловыми шумами. Эти шумы воздействуют на зависимые от напряжения емкости активных элементов, что приводит к случайным изменениям фазы генерируемых колебаний. Эти изменения фазы действуют на зависимые от напряжения емкости активных (полупроводниковых) элементов, что приводит к случайным изменениям фазы генерируемых колебаний. Эти изменения фазы называются «фазовыми шумами» (ФШ), уровень которых определяет качество АГ. Для ГУН наибольший вклад в ФШ дает варикап. Если амплитудная шумовая модуляция может быть уменьшена ограничением амплитуды сигнала с последующей фильтрацией гармоник, то фазовая модуляция не может быть уничтожена. ФШ превращаются в амплитудные при демодуляции сигнала фазовыми и частотными детекторами и, в определенной мере, синхронными детекторами. Плотность спектра ФШ измеряется в децибелах по отношениию к мощности основной генерируемой частоты, отнесенной к 1 Гц. Ввиду симметричной формы спектра генерируемого сигнала измеряется зависимость плотности ФШ одной боковой полосы как функция отклонения частоты от несущей.

Для измерения ФШ помещаем на схему иконку OSCNOISE, взятую из Elements/ Meas. Devices/ Controls и, щелкнув по ней, заносим в окне: OFStart – 10e-07, OFStop – 0.1 GGz, OFStep – 20, Swp Type – LOG, Harm ‒ . Далее создаем очередной график и в окне Modify Measurement выставляем: Meas Type – Nonlinear/ Oscillator, Measurement – PH NOISE_F. После окончания счета выводится график (рис. 6.16).