Расчет усилителя. Создание рабочей модели транзистора

3. Расчет усилителя.

3.1. Создание рабочей модели транзистора.

Для расчета усилителя и последующего моделирования была использована модель транзистора с параметрами, рекомендованными производителем (рисунок 3.1.1).

Рисунок 3.1.1. Параметры модели транзистора.

          На базе данной модели построена эквивалентная схема транзистора, реализованного в корпусном исполнении SC-70 4L/SOT-343. Эквивалентная схема включает в себя пассивные элементы, учитывающие паразитные реактивности выводов. Также в состав схемы входят линии передачи, задающие волновые сопротивления и эффективную диэлектрическую проницаемость выводов транзистора.Кристалл транзистора расположен на диэлектрической подложке, параметры которой описаны изготовителем в технической документации транзистора. Вид эквивалентной схемы транзистора изображен на рисунке 3.1.2.

Рисунок 3.1.2. Эквивалентная схема корпусного исполнения транзистора.

3.2. Расчет цепей питания и смещения. Анализ работы транзистора по постоянному току.

Первым этапом в расчете усилителя СВЧ графоаналитическим методом является получение системы S-параметров транзистора в рабочей полосе частот. Для этого необходимо задать рабочую точку по постоянному току.

Рекомендуемым является режим работы со следующими параметрами: напряжение питания сток-исток , выходной ток стока . Как видно из графиков на рисунках 3.2.1 и 3.2.2, этот режим обеспечивает оптимальное сочетание таких параметров как коэффициент шума, коэффициент усиления и величину точки компрессии на 1 дБ.

Рисунок 3.2.1. Графики зависимости коэффициента усиления и коэффициента шума от тока стока при различных напряжениях питания транзистора.

Рисунок 3.2.2. Графики зависимости величины точки компрессии на 1 дБ от тока стока при различных напряжениях питания транзистора.

Так как усилитель находится в непосредственной близости к антенне, питание к нему целесообразно подводить через высокочастотный кабель снижения, следовательно, цепь питания и сигнальные линии должны быть разделены блокировочными элементами.

В цепи питания стока транзистора установлены два дросселя, препятствующие протеканию высокочастотных токов на землю через конденсаторы фильтра питания. В цепи смещения затвора установлен один дроссель, обеспечивающий высокое сопротивление для токов рабочей частоты, поступающих на вход усилителя. С использованием метода параметрического синтеза было установлено, что применение дросселей номиналом в 1,2 мкГн позволяет обеспечить необходимую развязку по высокой частоте. Сопротивление дросселя номиналом 1,2 мкГн на средней рабочей частоте 2,6 ГГц:

.

При выборе блокировочных конденсаторов в сигнальных цепях усилителя и цепи питания следует исходить из соображения, что их сопротивление на рабочей частоте должно быть существенно меньше сопротивления дросселя. Данное условие выполняется при использовании конденсаторов номиналов в 1000 пФ, сопротивление которых равно:

          Для задания режима работы транзистора по постоянному току использована схема истокового автосмещения. При этом на затворе транзистора относительно истока присутствует нулевой потенциал, а смещение задается при помощи источника тока в цепи истока. Схема цепи смещения представлена на рисунке 3.2.3.

Рисунок 3.2.3. Схема истокового автосмещения.

Подбор номинала резистора, включенного в цепь истока осуществлялся с использованием метода параметрического синтеза, основной целью которого являлось достижение режима работы по постоянному току, максимально близкого к выбранному (, ). Конденсатор, включенный параллельно резистору, обеспечивает его шунтирование по высокой частоте, что делает потенциал истока по переменной составляющей примерно равным нулю. Сопротивление этого конденсатора по высокой частоте в десятки раз меньше сопротивления резистора.

При использовании данного метода задания смещения затвор транзистора соединяется с землей через дроссель, препятствующий протеканию токов высокой частоты через цепь.

                                                                                                                    

Рисунок 3.2.4. Принципиальная схема цепи питания транзистора.

При данном режиме по постоянному току была получена система S-параметров транзистора в полосе частот 2,5 – 2,7 ГГц.

Рисунок 3.2.5. График зависимости параметра  от частоты.

Рисунок 3.2.6. График зависимости параметра  от частоты.

Рисунок 3.2.7. График зависимости параметра  от частоты.

Рисунок 3.2.8. График зависимости параметра  от частоты.

Ниже приведена таблица, содержащая значения S-параметров с учетом фазы на центральной и граничных частотах полосы.

Таблица 3.2.1. Значения аргумента и фазы S-параметров транзистора.

3.3. Расчет цепей согласования.

При расчете согласующих цепей графоаналитическим методом в первую очередь необходимо выполнить проверку устойчивости усилителяна центральной частоте. Для этого определяются вспомогательные параметры транзистора:

По полученным данным с помощью формулы (2.7.2.1) определяется коэффициент устойчивости усилителя.

Так как коэффициент устойчивости меньше единицы, то усилитель является потенциально неустойчивым, следовательно, может быть рассчитан на любой коэффициент усиления. Пусть требуемый коэффициент усиления

Теперь вычислим вспомогательные параметры, необходимые для построения окружности постоянного усиления и окружностей устойчивости входной и выходной нагрузки.