3.5. Интегральные микросхемы широкополосных свч усилителей, используемые в урч радиоприемных устройств

В Приложении 2 даны параметры некоторых интегральных микросхем СВЧ усилителей, применяемых в РПУ.

Выбор микросхемы производится на этапе проектирования принципиальной электрической схемы приемника.

При выборе в качестве УРЧ интегральной микросхемы СВЧ усилителя исходят из следующих соображений:

1. Диапазон рабочих частот микросхемы должен быть не уже рабочего диапазона приемника;

2. Коэффициент усиления и коэффициент шума микросхемы должны быть не хуже, определенных в процессе проектирования функциональной схемы приемника;

3. При использовании микросхемы в узкополосном УРЧ необходимо предусмотреть ФСС, обеспечивающий необходимую избирательность;

4. Если преселектор выполняется в виде ГИС СВЧ, необходимо, чтобы выбранная микросхема допускала встраивание в СВЧ блоки, выполняемые по гибридно-интегральной технологии.

5. Если в справочных данных не указаны параметры входной и выходной линии передач микросхема должна быть согласована в тракте.

Пример 3.1. Требуется рассчитать УРЧ для ГИС СВЧ.

Исходные данные: средняя частота настройки приемника ГГц; полоса пропускания приемника П=10МГц; коэффициент усиления усилителя ; коэффициент шума дБ; избирательность преселектора по зеркальному каналу не менее дБ; волновое сопротивление подводящих линий МПЛ на входе и выходе усилителя Ом.

1. Выбираем для усилителя схему с общим эмиттером на биполярном транзисторе 2Т3132А-2 в типовом режиме мА,В(таблица П 1.1)

Из таблицы П 1.2 находим S– параметры транзистора (на частоте ГГц):

, ,,

, ,,

Проверяем выполнение условий (3.2) и (3.3):

;

;

;

;

Так как , транзистор находится в области ОПУ.

Для перевода его в область ОБУ используем стабилизирующее сопротивление (рис.3.4а). Величину стабилизирующего сопротивления находим по формуле (3.5), выбрав .

Ом

Пересчитаем S– параметры транзистора с учетомпо формулам (3.7)÷(3.9).

Предварительно находим:

;

Пересчитанные S– параметры транзистора равны:

Для расчета этих выражений использованы следующие формулы [20]:

х=х+j0=хе^j0; -х=хе^jπ; jy=е^jy; Z=х+ jy=r(Cosφ+jSinφ)=rе^jφ;

r=;Cosφ= ;Sinφ=;

(х₁+ jy₁) + (х₂+ jy₂)= (х₁+ х₂) + j(y₁+y₂);

(х₁+ jy₁)(х₂+ jy₂)= (х₁х₂-y₁y₂)+ j(х₁y₂+ х₂y₁);

(х+jy)(х-jy)= х²+y²;

(х+ jy)+ (х- jy)= 2х;

(х₁+ jy₁)- (х₂+ jy₂)= (х₁- х₂)+ j(y₁-y₂);

;

(х₁+ jy₁)х₂=х₁х₂+jх₂y_1.

Рассчитаем транзисторный усилитель в режиме экстремального усиления. Коэффициент усиления транзисторного усилителя по мощности находим по формуле (3.10):

Перед корнем взят знак “минус” поскольку транзистор находится в режиме ОБУ.

Рассчитанный коэффициент усиления K_pдостигается при двухстороннем согласовании на входе и выходе транзистора.

2. Коэффициенты отражения на входе и выходе (3.14) и (3.15):

,

где инайдем из выражений (3.16)÷(3.20):

Находим входное и выходное сопротивления АЭ (3.12) и (3.13):

Итак, входное комплексное сопротивление транзистора носит емкостной характер , где Ом, аОм.

Выходное комплексное сопротивление транзистора носит индуктивный характер , где Ом, аОм.

3. Рассчитаем цепи согласования входного сопротивления транзистора с подводящей микрополосковой линией с волновым сопротивлением Ом на поликоре с,мм.

Рассмотрим два варианта.

Вариант А.Одношлейфовое согласование.

Используем формулы (3.23) и (3.24), где принимаем

Ом;

соответственно Ом;;Ом;Ом.

Находим волновое сопротивление шлейфа:

Длина шлейфа равна:

см

где см; см

- эффективная диэлектрическая проницаемость находится из формул (2.9).

Из формулы (3.22) находим ширину полоски шлейфа

; мм

Ширина полоски нереализуема. Следовательно, одношлейфовое согласование в данном случае невозможно из-за большого волнового сопротивления шлейфа. Изменим волновое сопротивление подводящей МПЛ. Используем на входе усилителя МПЛ с волновым сопротивлением 20 Ом, т.е.Ом;.

Пересчитаем параметры шлейфа. Найдем его волновое сопротивление

Ом

Длина шлейфа при этом равна

см

Ширина полоски шлейфа

; мм

Таким образом, отрезок МПЛ (шлейф) длиной сми ширинойммявляется трансформатором полных сопротивлений т.е. согласует волновое сопротивление подводящей линии с волновым сопротивлениемОмсо входным комплексным сопротивлением транзистора.

Вариант Б.Двухшлейфовое согласование.

Пересчитаем по формуле (3.35) входное сопротивлением транзистора во входную проводимость

мСм

Активную составляющую входного сопротивления (проводимости) транзистора согласуем с волновым сопротивлением подводящей линииОмс помощью четвертьволного трансформатора (последовательного шлейфа) с параметрами:

длина шлейфа

см

волновое сопротивление (3.27):

Ом

Из формулы (3.22) находим ширину полоски

; мм

Реактивную составляющую входного сопротивления (проводимости) транзистора емкостного характера компенсируем параллельным короткозамкнутым шлейфом, входное сопротивление которого должно носить индуктивный характер (см. рис.3.7).

Длину шлейфа найдем по формуле (3.31):

см

где Ом; Ом

Ширина полоски шлейфа равна

; мм

Рассчитаем цепи согласования выходного сопротивления транзистора с микрополосковой линией с волновым сопротивлением Омна поликоре с;мм.

Рассмотрим двухшлейфовое согласование.

По формуле (3.36) пересчитаем выходное сопротивление транзистора в выходную проводимость

мСм

Активную составляющую выходного сопротивления (проводимости) транзистора согласуем с волновым сопротивлением МПЛОм с помощью четвертьволнового трансформатора (последовательного шлейфа) с параметрами:

длина шлейфа

см

волновое сопротивление (3.27):

Ом

Поскольку волновое сопротивление шлейфа труднореализуемо, применим двухступенчатый трансформатор. Задаемся волновым сопротивлением первой ступени Ом. Волновое сопротивление второй ступени находим по формуле (3.28)

Ом.

Итак, параметры первой ступени трансформатора

см; Ом;

; мм.

Параметры второй ступени трансформатора

см; Ом;

; мм

Реактивную составляющую выходного сопротивления транзистора, имеющую индуктивных характер, компенсируем с помощью параллельного шлейфа, в качестве которого используем четвертьволновый разомкнутый отрезок МПЛ входное сопротивление которого должно носить емкостной характер (см. рис.3.8).

Задаемся волновым сопротивлением шлейфа Ом.

Длину шлейфа находим по формуле (3.32):

см

Поскольку длина шлейфа получилась слишком мала, пересчитаем длину по формуле (3.34):

см.

Ширина полоски шлейфа равна

; мм.

4. Выбираем схему питания и смещения транзистора по постоянному току рис.3.10б. Считаем, что транзистор находится в типовом режиме работы по постоянному току (таблица П 1.1):

В; В;мА;В;

Задаемся током базового делителя

мА

Находим величины сопротивлений резисторов усилителя.

Ом; кОм,

где ток базы находят по формуле

Ом

;

Постоянные напряжения питания и смещения подаем на транзистор через высокочастотные дроссели в качестве которых используем четвертьволновые отрезки МПЛ икороткозамкнутые на конце по высокой частоте емкостями С2 и С4 (рис.3.11-3.12).

5. Заданную избирательность преселектора дБобеспечим применением двух полосовых фильтров СВЧ на входе усилителя (входная цепь) и на его выходе с избирательностью по зеркальному каналу по 30дБ на каждый фильтр. Расчет фильтров приведен в примере 2.1 или 2.2.

6. Коэффициент шума усилителя в соответствии с таблицей П 1.1 берем равным:

7. Принципиальные электрические схемы узкополосного УРЧ с одношлейфовым согласованием по входу и двухшлейфовым по выходу с разными типами ФСС приведены на рис.3.14 и 3.15.