Билет №14. Вопрос №1.

В основу проектирования транзисторного усилителя СВЧ должна быть положена модель транзистора. Это может быть структурная (физическая) модель, т. е. эквивалентная схема транзистора, либо бесструктурная модель, представляющая транзистор в виде эквивалентного четырехполюсника.

Преимуществом структурной модели является высокая информативность; эквивалентная схема характеризует поведение транзистора в диапазоне частот и позволяет устанавливать связь между ее элементами и характеристиками транзистора. Бесструктурная модель транзистора менее информативна, она строго справедлива лишь на одной частоте. Для определения частотной зависимости параметров транзистора надо провести измерения на разных частотах. Однако бесструктурные модели более точны, поскольку их параметры могут быть измерены значительно точнее, чем параметры эквивалентной схемы.

Транзистор СВЧ как эквивалентный четырехполюсник может быть описан, например, y- или h-параметрами, которые обычно используются на более низких частотах. Но для измерения этих параметров необходимо обеспечить режимы холостого хода и короткого замыкания, трудно осуществимые на СВЧ из-за влияния паразитных элементов схемы. Более подходят для его описания параметры матрицы рассеяния или S-параметры, поскольку они измеряются в линиях с согласованными нагрузками, что на СВЧ наиболее просто.

Расчет усилителя начинается с выбора транзистора, схемы его включения и определения (измерения) S-параметров транзистора в условиях, максимально приближенных к реальным.

Усилитель с узкой полосой пропускания, не превышающей нескольких процентов, рассчитывается на центральной частоте рабочего диапазона. По известным S-параметрам транзистора вычисляют коэффициент устойчивости . При усилитель потенциально неустойчив и в этом случае необходимо заменить транзистор, либо изменить устойчивость транзистора подключив стабилизирующий резистор, либо найти такие значения допустимых нагрузок, при которых каскад не самовозбудится. Если , проверяют, выполняются ли остальные условия стабильной работы. При нарушении хотя бы одного из них усилитель также потенциально неустойчив. Фактор устойчивой работы позволяет проводить дальнейший расчет усилителя - нахождение входных и выходных сопротивлений транзитора, расчет цепей согласования, элементов установки рабочей точки, термостабилизации, частотной коррекции и т.п. При этом возможны различные варианты расчета (на заданный или макцимальный коэффициент усиления (мощность), требуемый коэффициент шума и т.п.).

При одновременном согласовании на входе и выходе транзистора коэффициент усиления мощности, безусловно устойчивого усилителя получается максимальным ( ), а потенциально неустойчивого - минимальным ( ). Поэтому, для того чтобы получить максимальный коэффициент усиления каскада на входе и выходе транзистора должны быть следующие коэффициенты отражения ,

По известным коэффициентам отражения от нагрузок в плоскости транзистора можно определить сопротивления нагрузок по формуле . Входное и выходное сопротивления транзистора при нагрузках и , обеспечивающих режим двустороннего согласования, равны: .

Найдем теперь коэффициент усиления же мощности при двустороннем согласовании, для безусловно устойчивого усилителя , для потенциально неустойчивого . С уменьшением коэффициента устойчивости коэффициент усиления безусловно устойчивого усилителя возрастает и при достигает наибольшего значения .

В ряде случаев в безусловно устойчивом усилителе нужно получить коэффициент усиления мощности , меньший максимального . Уменьшения коэффициента усиления можно добиться, вводя рассогласование на входе и (или) выходе транзистора. Практически согласование на входе сохраняют, а нужный коэффициент усиления получают с помощью выходной нагрузки. Все сопротивления нагрузки, обеспечивающие необходимый коэффициент усиления при условии согласования на других клеммах транзистора, лежат на окружности, называемой окружностью постоянном усиления с радиусом центра и радиусом этой окружности (строятся на диаграмме полных сопротивлений (Смита))

Нагрузку на окружности постоянного усиления, при которой мы получим требуемое усиление, можно выбрать произвольно. Однако целесообразно остановиться на таком сопротивлении, которое характеризуется наименьшим коэффициентом отражения (т.е. минимальным ). Это сопротивление находится в точке пересечения окружности постоянного усиления с прямой, соединяющей центр этой окружности с центром круговой диаграммы.

Чем больше усиление, тем меньше диаметр этой окружности, т.е. максимальному усилению соответствует одна точка на диаграмме полных сопротивлений (режим полного согласования). Т.о. при расчете определив по круговой диаграмме и , рассчитываем затем коэффициент отражения от входной нагрузки из условия согласования на входе транзистора. По известному определим с помощью круговой диаграммы или по формуле сопротивление источника сигнала в плоскости транзистора .

В потенциально неустойчивом усилителе при можно получить любой коэффициент усиления , больший минимального , соответствующего режиму двустороннего сопряженного согласования. Для этого надо ввести рассогласование на входе или выходе транзистора (или одновременно на входе и выходе). При режим двустороннего согласования неосуществим и выражение для теряет смысл. Однако одностороннее согласование возможно. При этом, теоретически можно получить принципиально любой коэффициент усиления. В потенциально неустойчивом усилителе требуемый коэффициент усиления реализуют, как правило, выбором выходной нагрузки при согласовании на входе транзистора.

Расчет начнем с построения окружностей устойчивости входной и выходной нагрузок на круговой диаграмме полных сопротивлений. Строятся координата центра и радиус окружности устойчивости при i=1 входной нагрузки и при i=2 для выходной. Области запрещенных сопротивлений нагрузок заштрихованы. Затем на той же круговой диаграмме построим окружность постоянного усиления, которая соответствует выходной нагрузке. Положение центра и радиус этой окружности строим при i=2.

На окружности постоянного усиления можно выбрать любое сопротивление , не попадающее в область неустойчивости выходной нагрузки. Желательно, чтобы модуль соответствующего коэффициента отражения был возможно меньшим. Определив по диаграмме и , вычислим коэффициент отражения от входной нагрузки при условии согласования на входе транзистора. По известному определим сопротивление и проверим, не попало ли оно в область неустойчивости входной нагрузки. Если выбор выходной нагрузки оказался неудачным, расчет следует повторить.

Важнейшим параметром усилителя СВЧ, используемого в качестве малошумящего, является коэффициент шума. Известно, что коэффициент шума усилителя зависит от сопротивления (проводимости) источника сигнала в плоскости транзистора и что соответствующим выбором этого сопротивления можно минимизировать коэффициент шума. Сопротивления источника сигнала, соответствующие режимам максимального усиления (в случае безусловно устойчивого усилителя) и минимального коэффициента шума, не совпадают. Поэтому сопротивление источника сигнала часто выбирают из компромиссных соображений. При этом желательно получить на входе усилителя возможно меньший коэффициент стоячей волны напряжения .

Коэффициент шума усилителя при произвольном сопротивлении источника сигнала в плоскости транзистора может быть рассчитан по формуле . Здесь - минимальный коэффициент шума, достижимый при сопротивлении источника сигнала ; - коэффициенты отражения от нагрузок и соответственно, измеренные в линии со стандартным волновым сопротивлением Zo; —эквивалентное шумовое сопротивление транзистора.

Соотношение для может быть представлено в виде семейства окружностей постоянного коэффициента шума на круговой диаграмме, соответствующей входной нагрузке. Поэтому, мы можем рассчитывать усилитель на заданный коэффициент шума, по подобной методике как и для расчета на фиксированный коэффициент усиления.