Нелинейное моделирование в программе Microwave Office Модель полевого транзистора
Для того чтобы проводить нелинейный анализ усилителя в программе Microwave Office, нужно выбрать модель транзистора и задать ей параметры соответствующие данному транзистору. В MWO имеется ряд моделей, обладающих теми или иными особенностями, как для биполярных, так и для полевых транзисторов. Для полевых транзисторов хорошо себя зарекомендовала модель Ангелова, эквивалентная схема которой приведена на Рис.11.
Рис.11. Эквивалентная схема модели Ангелова
Как
известно, полевой транзистор имеет три
вывода: затвор (gate),
сток (drain)
и исток (source).
В связи с тем, что программа MWO
является англоязычной, все индексы
токов и напряжений заменяются на первые
буквы названий соответствующих выводов:
g
- gate
(затвор), d
- drain
(сток), s
- source
(исток). В эквивалентной схеме приняты
следующие обозначения: LG,
LD,
LS
- индуктивности выводов затвора, стока
и истока соответственно; RG
- сопротивление потерь в металлическом
контакте затвора; RD
и RS
- сопротивления потерь неуправляемых
участков канала со стороны стока и
истока; CGD,
CGS
- емкости обедненного слоя под затвором
со стороны стока и истока; RI
- сопротивление управляемой части канала
и переходного слоя между каналом и
обедненной областью со стороны истока
(аналогичным сопротивлением со стороны
стока RGD
пренебрегаем из-за его малости по
сравнению с сопротивлением емкости
CGD);
CDS
- емкость между контактами сток - исток.
Диоды VD1
и VD2
моделируют выпрямляющие свойства
контактов затвор - сток и затвор - исток.
Свойства полевого транзистора как
активного элемента отражены включением
в схему генератора тока стока
,
зависящего от управляющего напряжения
затвор - исток
на емкости CGS,
и напряжения затвор - сток
на емкости CGD
как параметра.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) транзистора (источника тока) задается выражением:
,
где
- аппроксимированное представление
входного напряжения транзистора;
- напряжение на затворе; P1,
P2,
P3 - полиномиальные
коэффициенты; VPK
- пороговое напряжение затвора;
- нормирующий коэффициент для напряжения
стока;
- напряжение на стоке; IPK
- максимальный ток стока.
Метод гармонического баланса
Для анализа нелинейных усилителей мощности в установившемся режиме используют частотные методы, в том числе метод гармонического баланса [2].
При анализе методом гармонического баланса схема разбивается на две подсхемы: линейную, которая содержит все линейные элементы, и нелинейную, содержащую только нелинейные элементы. Две подсхемы соединены между собой рядом выводов (Рис.12).
Рис.12. К анализу УМ методом гармонического баланса
В
качестве переменных используются
напряжения на соединениях между
подсхемами, и программа решает систему
уравнений относительно данных напряжений.
Токи в соединениях подсхем используются
для того, чтобы определить, является ли
найденное решение правильным: если это
так, токи в нелинейных
и линейных
подсхемах для каждой гармоники
удовлетворяют первому закону Кирхгофа.
Напряжения в портах линейной и нелинейной подсхем трактуются как переменные состояния схемы на разных частотах (нулевой, основной и на частотах гармоник). Процесс решения заключается в итерационном подборе вектора этих напряжений, который должен одновременно удовлетворять линейным (обычно описываемых многочастотной матрицей полной проводимости) и нелинейным уравнениям соответствующих подсхем. Линейные уравнения легко решаются в частотной области, но нелинейные уравнения должны быть решены во временной области. Результаты во временной и частотной областях связываются преобразованием Фурье.
Метод гармонического баланса обладает следующими особенностями:
итерационный процесс решения не всегда является сходящимся;
при двух- и более частотном воздействии возникают сложности с преобразованием Фурье;
точность преобразования Фурье ограничена потерями компонентов сигнала с малыми амплитудами на фоне шумов вычислений;
обращение больших матриц обуславливает низкую скорость вычислений;
необходимы большой объем памяти и высокая производительность компьютера;
возможен анализ только заведомо устойчивой схемы.
При использовании метода гармонического баланса общее количество гармоник должно быть разумно ограничено. Выбор количества гармоник для анализа нелинейного усилителя мощности зависит от уровня нелинейности АЭ и обычно составляет пять - восемь гармоник.