На основе правил Кирхгофа составляется система обыкновенных дифференциальных уравнений, решение которой даёт зависимость мгновенных значений тока в нагрузке от времени, знание которой позволяет рассчитать основные параметры усилителя, например коэффициент усиления.
6. Методика расчета согласующих цепей
На схемах построения усилителей (см. рис. 20, 21), помимо транзистора (Т) и схемы питания, присутствуют входная (с.ц.вх.) и выходная (с.ц.вых.) согласующие цепи.
Входная согласующая цепь предназначена для трансформации входного сопротивления транзистора в выходное сопротивление источника сигнала, выходная согласующая цепь трансформирует выходное сопротивление транзистора во входное сопротивление нагрузки.
Алгоритм расчета согласующих цепей следующий [9].
1.Из числа электрических параметров усилителя выбирают целевую функцию, например, коэффициент усиления K и критерий ее оптимальности, в данном случае – максимум коэффициента усиления (при выборе
вкачестве целевой функции коэффициента шума критерием ее оптимальности будет минимум коэффициента шума).
2.Задают рабочую точку транзистора (Ucu;Uзu), значение частоты, попадающее в рабочий диапазон частот проектируемого усилителя, значение сопротивления источника сигнала (обычно принимают равным 50 Ом) и начальное значение сопротивления нагрузки Zн (произвольно).
3.По методике, описанной в главе 5, определяют линейные и нелинейные параметры эквивалентной схемы транзистора, решают систему дифференциальных уравнений, составленных по правилам Кирхгофа, рассчитывают значение K.
4.Выбирают другое значение Zн и по п.3 рассчитывают соответствующее ему значение K. Процедуру повторяют до тех пор, пока не будет определено оптимальное значение Zн по критерию максимальности K.
5.Рассчитывают входное сопротивление транзистора Zвх, соответствующее оптимальному Zн.
6.В случае необходимости по описанной методике оптимизируют
значения Ucu, Uзu.
7. Если усилитель полосовой, то есть работает в полосе частот, а не на одной частотной точке, проводят вычисления по п. п. 1–6 для различных значений частоты f .
Таким образом определяют оптимальное значение сопротивления нагрузки Zн и соответствующее ему значение входного сопротивления транзистора Zвх.
29
8. Далее рассчитывают согласующие цепи. Если усилитель изготавливается по технологии гибридных интегральных схем, то согласующие цепи могут быть выполнены в виде трансформаторов из отрезков микрополосковой линии передачи. Сначала на основе опыта расчета других усилителей, а также с использованием «библиотеки» типичных вариантов согласующих цепей задают начальную структуру согласующих цепей. При этом предполагается, что входная согласующая цепь должна иметь входное сопротивление 50 Ом (для согласованности с источником входного сигнала) и выходное сопротивление Zвх. Выходная согласующая цепь должна иметь входное сопротивление Zн и выходное сопротивление 50 Ом (для согласованности со стандартной линией передачи на выходе усилителя). Методом последовательных приближений подбирают размеры отрезков микрополосковой линии передачи, образующих согласующие цепи, до максимально возможного совпадения их импедансов с указанными значениями в заданной полосе частот.
Заключение
Современные тенденции развития радиоэлектронной аппаратуры СВЧ-диапазона свидетельствуют о резком снижении массогабаритных характеристик и энергопотребления, повышении многофункциональности, многорежимности при одновременном улучшении основных электрических характеристик и необходимости снижения цены.
Выполнение указанных противоречивых требований требует существенного увеличения степени интеграции твердотельных устройств СВЧ, перехода от планарных к объемным интегральным схемам.
Однако методы проектирования устройств с полевым транзистором в качестве активного элемента (выбор типа ПТ, выбор рабочей точки, синтез согласующих цепей, обеспечивающих его работу в заданном диапазоне частот) остаются актуальными во всех случаях работы ПТ в составе гибридной микросборки, монолитной интегральной схемы или объемной интегральной схемы.
Представленное учебно-методическое пособие дает возможность студентам получить базовые представления об этапах проектирования твердотельных СВЧ-усилителей, критериях выбора основных конструктивных решений и способах преодоления некоторых противоречивых требований, предъявляемых к изделиям.
Вопросы для повторения и проверки
1.Перечислите и дайте определение основным электрическим параметрам, которыми характеризуются усилители СВЧ.
2.Что такое амплитудно-частотная характеристика?
3.Рассчитайте коэффициент усиления (в децибелах) усилителя, состоящего из трех усилительных каскадов с коэффициентами усиления:
K1 = 5, K2 = 4, K3 = 4.
4. На рис. 27 изображена амплитудно-частотная характеристика усилителя, предназначенного для работы в рабочей полосе частот от 8 до 10 ГГц. Определите значения его минимального коэффициента усиления и неравномерности коэффициента усиления.
Рис. 27. Амплитудно-частотная характеристика усилителя
5.Что такое амплитудная характеристика?
6.На рис. 28 представлены амплитудные характеристики двух усилителей (1 и 2). Какой из них характеризуется большим значением линейной выходной мощности? Какой из усилителей имеет больший коэффициент усиления в линейном режиме?
7.Что такое нелинейный режим работы усилителя?
8.СВЧ-усилитель характеризуется в рабочей полосе частот значения-
ми коэффициентов стоячей волны по напряжению входа KcтV вх = 2;0 и выхода KcтV вых = 2;5. Рассчитайте соответствующие им значения модулей коэффициентов отражения.
9.СВЧ-усилитель работает в линейном режиме и имеет коэффициент усиления 20 дБ. Питание усилителя осуществляется от источника пита-
32
Рис. 28. Амплитудные характеристики усилителей 1 и 2
ния 12 В, значение тока по цепи питания составляет 0,1 А. Рассчитайте коэффициент полезного действия усилителя при условии, что на его вход подан СВЧ-сигнал мощностью 1 мВт.
10.Физика работы полевого транзистора. Семейства выходных и переходных вольт-амперных характеристик.
11.Что такое крутизна вольт-амперной характеристики?
12.Критерии выбора рабочей точки ПТ.
13.Варианты топологий ПТ. Основные геометрические размеры, характеризующие топологии ПТ.
14.Преодоление противоречия между шириной затвора ПТ и шириной рабочей полосы частот.
15.Схемы включения ПТ по СВЧ и постоянному току.
16.На рис. 29 и 30 представлены схемы двух усилителей (1 и 2),
вконструкции которых использован ПТ одного типа (VT ). Примененные цепи согласования транзистора (с.ц.вх. и с.ц.вых.) позволяют получить от него в рабочей полосе частот коэффициент усиления 7 дБ и максимальную выходную мощность в режиме насыщения 50 мВт. Сравните значения коэффициентов усиления и выходной мощности в режиме насыщения усилителей 1 и 2.
Рис. 29. Усилитель 1
17.Усилитель бегущей волны, принцип работы.
18.С чем связано существование оптимального числа транзисторов, которые следует использовать в схеме УБВ?
33