Расчет электрической схемы устройства. Расчет Y - параметров малошумящего усилителя

5. Расчет  электрической схемы устройства

5.1.  Расчет Y - параметров малошумящего усилителя

Активным элементом малошумящего усилителя в составе ИС МС13142D является каскодное соединение двух кремниевых биполярных транзисторов, соединенных по схеме ОЭ-ОБ.  Эквивалентная электрическая схема активного элемента МШУ представлена на рис. 5.1.1.

Транзисторы VT1 и VT2 образуют каскодную схему ОЭ-ОБ. Резистор R = 600 Ом  используется для подачи напряжения питания  на коллектор транзистора VT1. Диоды VD1 и VD2  предназначены для защиты транзисторов от пробоев. Входной сигнал подается  на вывод 2 ИС, а снимается с вывода 16.       Из документации на данную микросхему известно, что транзисторы работают при токе эмиттера около 2 мА.

Обычно на частотах выше 300 МГц для расчетов используются S - параметры транзисторов, которые, как  правило измеряются. Но для выбранной ИС  данные об измеренных S-параметрах  не приводятся.

Поскольку транзисторы являются интегральными, то индуктивности выводов практически равны нулю, вследствие чего для оценочных расчетов можно воспользоваться обычными Y- параметрами. Вследствие того, что параметры физической эквивалентной схемы транзисторов неизвестны, воспользуемся для расчетов параметрами одного из биполярных кремниевых СВЧ -транзисторов. Выбирается за основу транзистор КТ 3115 Б.

Параметры транзистора КТ3115Б следующие :

f_Т = 5800 Мгц ( при токе  I_э = 5 мА) ;    r_б = 50 Ом ; b₀ = 80 ;  g = 0,3 ;

C_к = 0,33 пФ ;  C_Э  = 0,56 пФ.

Исходные данные к расчету: 

 I_э = 2 мА ;  t= -20 °C ;   f₀  = 892 МГц .

Расчет  Y- параметров  одного транзистора :

1. Температурный потенциал :

j_т  =   мВ.

2. Сопротивление эмиттера :

r_э =  Ом .

3. Входное сопротивление  в схеме с ОБ  на  НЧ:

h_11Б = Ом.

4. Граничная частота при токе I_э = 2 мА :

f ^‘_Т  = f_Т МГц .

 

R          600

16

VT1

VD2

VT2                                                                       

2                          

2мА

VD1                 

Рис. 5.1.1.  Эквивалентная электрическая схема  активного                                             элемента МШУ  по высокой частоте

R_A           C_Р                                             l_К

                                           

С₁                                                                      С₂             R_ВХ             

Е_А

Рис. 5.2.1.  Эквивалентная  электрическая схема  входной цепи

                                                                    w

t

h

Рис. 5.2.2. Несимметричная полосковая   линия

5.   Предельная частота по крутизне :

f_S = f ^‘_Т МГц .

6.  Коэффициент передачи тока в схеме с ОБ :

.

7.  Постоянная времени цепи обратной связи :

t_k = r_B g С_к = 50*0,3*0,33 = 4,95 пс.

8.    Входная  проводимость  Y₁₁ :

               ,  мСм    

Y₁₁ = 10,55 + j9,5  мСм .

9. Проводимость  обратной передачи Y₁₂ :

  мСм.

Y₁₂ = - ( 0,263 + j 1,555) мСм.

10.  Проводимость  прямой передачи  Y₂₁ :

 мСм.

êY₂₁ç  = 57,33  мСм.

j₂₁  = - 44° .

11.  Выходная проводимость Y₂₂ :

= 1,145 + j 2,99 мСм .

Y₂₂ = 1,145 + j 2,99 мСм .

Расчет  Y-  параметров каскодной схемы ОЭ-ОБ :

1.  Y_{11 ЭБ} » Y₁₁ = 10,55 + j 9,5 мСм.

2.  Y_{21 ЭБ}  » Y₂₁  = 57,33 e^-j44°  мСм.

3. Y_12ЭБ = См

Y_12ЭБ  = 4,63*10^-5 e ^j4°  Cм.

4.  Y_22ЭБ » - Y₁₂  = 0,263 + j 1,555 мСм .

5. Входная проводимость каскодной схемы ОЭ-ОБ приблизительно равна проводимости  Y₁₁ , поскольку внутренняя обратная связь в этой схеме очень мала, первый транзистор работает на очень низкое входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с ОБ, то есть в режиме, близком к  короткому замыканию на выходе. Таким образом Y_вх » Y₁₁ .

Активная составляющая входной проводимости и входное сопротивление :

g_вх = 10,55 мСм ;  R_вх =  94,8 Ом.

Реактивная  составляющая выходной проводимости и входная емкость :

b_вх = 9,5 мСм ;   C_вх  = 1,7 пФ.

С учетом емкости диода VD1 ( »1 пФ) входная емкость усилителя составит  C_вх  » 2,7 пФ.

6.  Активная составляющая  выходной проводимости :

g_вых  » g_22эб = 0,263 мСм.

С учетов проводимости питающего резистора R (600 Ом)  выходная проводимость составит :

g_вых  » g_22эб+ мСм.

Реактивная составляющая выходной проводимости и выходная емкость:

b_вых = 1,555  мСм ;  C_вых=  0,35 пФ.

С учетом емкости диода VD2 выходная емкость усилителя составит :

C_вых=  1,35 пФ.

7.  Активность усилительного прибора :

А =.

8. Коэффициент устойчивого усиления :

К_0уст =

k_y = 0,9  - коэффицент  устойчивости.

5.2. Расчет  входной  цепи

Входная цепь приемного устройства выполняется в виде резонатора  на несимметричной  полосковой линии, выполненной печатным способом на диэлектрическую подложку. В качестве материала диэлектрического заполнения  выбирается стеклотекстолит СКМ-1 с параметрами: e = 4,2 ,

tgd = 10^-4  ([15],[16]).  Выбор обусловлен тем, что данный материал наиболее распространен, а его стоимость  значительно ниже, чем у других материалов, используемых в микрополосковых линиях ( ситалл, поликоровая керамика). В тоже время его параметры для рассматриваемой задачи оказываются приемлемыми.

В качестве токопроводящего материала используется медь. Электрические параметры меди следующие([15],[16]) :

1) удельная проводимость меди  s = 5,8*10⁷ См/м ;

2)  нормированная глубина скин-слоя  = 2,09 мкм(ГГц)^0.5.

Источником сигнала является согласующее устройство, которое обеспечивает синфазность запитывания всех излучателей антенной решетки и приводит входное сопротивление антенной системы к  сопротивлению  50 0м.