П 3 Устройства на транзисторах п 3.1 Малошумящие усилители.

Параметры: Δf, Кш, Кус, динамический диапазон.

В диапазоне СВЧ уровень внешних шумов и радиопомех меньше, чем в более НЧ диапазонах, поэтому большую роль при приеме оказывает собственные шумы приемника.

На практике для снижения Кш, МШУ устанавливают ближе ко входу, зачастую до фильтра.

Основные характеристики МШУ:

1. Коэффициент шума Кш: Идеально когда Кш мал, а Ку велик. Использование усилителя с Кш<<Кш антенны – нерационально, так как не дают существенного выигрыша, а только увеличиваются габариты и стоимость.

2. Полоса пропускания: Ширина полосы пропускания должна обеспечивать передачу сигнала без искажений и фильтрацию помех. Чем меньше фильтруем помехи, тем больше порядок фильтра. Их не используют на входе, т.к. потери увеличиваются. Иногда используют перестраиваемый фильтр, достоинство – полоса узкая, потери отфильтрованы, недостаток – Кш увеличивается.

3. Динамический диапазон: (от с/ш=3дБ до насыщения). Рmax по различным критериям ( сжатие Рвых, увеличение мощности гармоник, изменение фазы S21, уровень IP3). Иначе блокируется сигнал помехой, искажение широкополосных сигналов.

Типы используемых транзисторов:

До 3-4 ГГц: Si-Le, Кш=1~1.5 дБ;

Выше 10 ГГц: гетеропереходные;

На НЧ: полевые, когда нужен высокий ДД и широкая ПП.;

Реализация:

Кш многокаскадного усилителя:

Кш∑=Кш₁+Кш₂-1+Кш₃-1+…

Максимум Ку реализуется при согласовании на входе и выходе, минимум Кш реализуется при сопротивлении генератора отличном от Zг_opt при согласовании на входе, поэтому усилитель оптимальный по шумам будет рассогласован на входе и возможно обеспечить согласование лишь на выходе.

Усилитель с Кш близким к Кш транзистора может быть реализован в полосе Δw/w = 10 – 20%.

Рис. 3.1.1

Синтез усилителя с минимальным коэффициентом шума Кш:

Критерий: достижение минимума Кш во всем диапазоне частот.

Рис. 3.1.2

Входные и межкаскадные цепи строятся таким образом, чтобы обеспечить преобразования выходного сопротивления предыдущего каскада в оптимальное сопротивление(Zг_opt), обеспечивающее Кш_min следующего каскада, при этом сопротивление нагрузки всех промежуточных каскадов получается отличным от сопротивлений обеспечивающих Ку_max. Полученную неравномерность АЧХ стараются скомпенсировать в последующих каскадах, которые мало влияют на Кш. Такая методика позволяет разделить минимизацию Кш и получения равномерной АЧХ.( ограничение – физическая реализуемость цепей в заданном частотном диапазоне)

Методика компромисса между Кш и неравномерностью АЧХ:

Компромисс необходим, если:

1. Цепи, полученные по первой методике физически нереализуемы.

2. Коэффициент усиления меньше необходимого.

3. Неравномерность АЧХ больше необходимой.

Компромисс засчет незначительного увеличения Кш, для увеличения Ку и/или уменьшения числа каскадов.

Физический смысл:

Рис. 3.1.3

Один и тот же Кш получается не при одном, а при многих значениях Zг, находящихся на окружности равной меры шума. Эти окружности пересекают окружности равного усиления – поэтому усиление в разных точках Кш различно.

Общие рекомендации:

1) Входная цепь: - должна обеспечивать Zг_opt.ш.

- не должна содержать резистивных элементов

- не должна быть сложной (больше элементов – больше потерь)

2) Межкаскадные цепи: - цепи находящиеся ближе к входу, не должны содержать реактивных элементов

- ОС не должны содержать резисторов.

- Оконечный каскад может быть высокого порядка.

Устойчивость.

Устойчивость (У) - отсутствие самовозбуждения.

На СВЧ эта проблема гораздо серьезнее ввиду следующих причин:

1. Паразитные параметры влияют сильнее ( и их нельзя уменьшить пропорционально увеличению частоты из-за технологических ограничений)

2. Сопротивление нагрузки и генератора из-за наличия сложных цепей связи частотно-зависимы и не всегда детерминированы.

3. На СВЧ абсолютный диапазон частот, в котором нужно обеспечить стабильность значительно больше.

Безусловная устойчивость (БУ) – устойчивость при произвольных пассивных внесенных нагрузках.

(коэффициент устойчивости)

- определитель S матрицы. (коэффициенты отражения от входа и выхода)

Если К>1 выполняется условие устойчивости.

Если одновременно выполняются оба условия К>1 и B1>0, то Re Zвх >0 (отраженная волна меньше падающей) и Re Zвых >0

В терминах S-матрицы это выглядит так:

Эти неравенства должны выполняться на всех частотах до w_max ( т.е. расчет устойчивости нужно выполнять не в рабочей полосе усилителя, а в полосе частот где Кус транзистора>1, т.е. 0 f_max)

Потенциальная устойчивость (ПУ) – транзистор устойчив в некоторых областях изменения Zг и Zн.

Если транзистор дополнить на входе и выходе нагрузками Z1 и Z2 и применить к нему критерий БУ.

(*)

При выполнении этих условий четырехполюсник становится безусловно устойчивым, то есть не возбудится при подключении к нему любых пассивных нагрузок.

Полезно знать область Z1 и Z2 при которых выполняется неравенство (*).

Эта область ограниченна условиями Re Zвх>=0; Re Zвых>=0.

Этим неравенствам (*) соответствует уравнение окружности:

Для входных нагрузок

(Для выходных нагрузок нужно поменять индексы ₁₁ и ₂₂)

Область устойчивой работы лежит вне круга, если Re Y11>0 и внутри него, если Re Y11<0.