3.3.Выбор режима работы транзистора

Определение оптимального сопротивления нагрузки и входного сопротивления транзистора. Определение напряжения питания и смещения:

Для мощного автогенератора одними из основных параметров считают уровень выходной мощности и КПД. Известно, что в этом случае наиболее подходящим является граничный либо слабо перенапряженный режим работы транзистора с углами отсечки тока стока 60°÷120°. При этом напряжение питания следует выбирать исходя из рекомендаций, приводимых производителем транзистора. Для выбора величины напряжения смещения на затворе E_З,от которого зависит угол отсечки, следует выполнить моделирование работы транзистора в статическом режиме (на постоянном токе).

Пример:

Рассчитаем выходные вольт-амперные характеристики для транзистора EPA160A100P. Для этого создадим новый проект.

Рис. Схема для моделирования вольт-амперных характеристик.

Импортируем в проект схему с моделью транзистора, созданную ранее. Для этого нажмем ПКМ на пункте Circuit Schematicsи выберем командуImport Schematic.

Создадим еще одну схему, вид которой приведен на рисунке.

Схема состоит из следующих элементов:

Элемент для измерения статических вольт-амперных характеристик:

Circuit Elements → MeasDevice → IV → IVCURVE.

Земля: Circuit Elements → Interconnects → GND.(либо кнопка на панели меню).

Модель транзистора подключается с помощью элемента подцепи SUBCKT. Данный элемент можно найти в папкеCircuit Elements → Subcircuits. Для более наглядного представления модели транзистора на схеме рекомендуется сменить символ для элементаSUBCKT. Нажмем ЛКМ2 по символу элементаSUBCKTи в закладкеSymbolвыберем символ с именемFET@system.syf(рис. ).

Рис. Замена символа для модели транзистора.

Далее создадим новый график с помощью нажатия ПКМ на пункте Graphs закладкиProjectи выбора командыNew Graph.На созданный график добавим характеристику ВАХ для тока стока в зависимости от напряжения сток-исток. Это можно сделать, нажав ПКМ по графику и выполнив командуAdd Measurement. В открывшемся окне (рис.) выберемNonlinear → Current → IVCURVE.

Рис. Окно выбора добавляемой на график характеристики

Если нумерация портов в схеме модели транзистора была выполнена корректно (см. выше), то после запуска процесса моделирования с помощью команды Simulate → Analyse, мы должны получить семейство вольт-амперных характеристик (рис. ).

рис.Х

Из рисунка видно, что напряжение отпирания транзистора E_З0= -1,2 В. При такой величине напряжения смещения угол отсечки тока стока в транзисторе АГ составляет приблизительно 90°.

Далее следует определить входное сопротивление транзистора и оптимальное сопротивление нагрузки, обеспечивающее требуемый уровень выходной мощности и КПД. Для этого используется схема, представленная на рис. Y, гдеLTUNER2- перестраиваемый трансформатор сопротивлений, который может трансформировать сопротивление нагрузки (порта) в любое требуемое комплексное сопротивление. При этом данный элемент не вносит потерь в мощность проходящего через него сигнала. Он также позволяет подключить в схему источники питания и смещения, обеспечивая их идеальную развязку с СВЧ трактом.

Данную схему следует оптимизировать в соответствии со следующими критериями:

- P_ВЫХи КПД не менее требуемого уровня;

- коэффициент отражения на входе не более -20дБ.

Эти требования должны выполняться на частоте генерации.

Начальное значение мощности входного генератора определяется исходя из коэффициента усиления транзистора, приводимого в справочных данных: P_ВХ=P_ВЫХ/K_P; (P_ВХ[дБм] = P_ВЫХ[дБм] - K_P[дБ]).

Напряжение питания транзистора берется из справочных данных (таблица ), а начальное значение напряжения смещения берется равным напряжению отпирания, определенному ранее по вольт-амперным характеристикам транзистора.

В процессе оптимизации нужно разрешить изменять параметры трансформаторов сопротивления, P_ВХ и E_З.

Пример:

Определим оптимальные параметры согласующих цепей для транзисторного усилителя. Откроем новый проект в MWO, в котором создадим схему, изображенную на рисунке.

Рис.  Схема для определения оптимального сопротивления нагрузки и входного сопротивления транзистора.

Пути к моделям элементов, расположенных в закладке Elements:

Порт с гармоническим колебанием заданной мощности:

Circuit Elements → Ports → Harmonic Balance → PORT1.

Порт: Elements → Ports → PORT (либо вызов по кнопке на панели меню).

Идеальный трансформатор импеданса:

Circuit Elements → General → Passive → Other → LTUNER2.

Источник постоянного напряжения:

Circuit Elements → Sources → DC → DCVS.

Земля: Circuit Elements → Interconnects → GND.(либо вызов по кнопке на панели меню)

Создадим график, на который добавим характеристики:

выходная мощность Add Measurement → Nonlinear → Power → → Pcomp;

коэффициент полезного действия Add Measurement → Nonlinear → → Power → DCRF.

(Задание параметров моделирования- частотный диапазон, количество гармоник для метода гармонического баланса)

Сделаем оптимизируемыми следующие параметры схемы:

• входная мощность генератора;

• напряжение смещения на затворе транзистора;

• Параметры MagиAngдля каждого из трансформаторовLTUNER2.

Чтобы сделать оптимизируемым, например, входную мощность источника PORT1 (смотри рис. ) необходимо нажать ЛК2 на символе данного элемента. Затем в открывшемся окне выставить галочки в столбцахOptиLimitв строке для параметраPwr. В поляхLowerиUpperзадается нижний и верхний предел диапазона поиска оптимального значения. Аналогичным образом зададим все оставшиеся параметры, подлежащие оптимизации.

Рис. Задание входной мощности сигнала как оптимизируемого параметра.

Зададим следующие требования к характеристикам оптимизируемой схемы:

• Выходная мощность первой гармоники в нагрузке должна быть не менее 30 дБм на частоте генерации.

• КПД усилителя должен быть не меньше 40 %.

Для этого, нажав ПКМ на пункте Optimizer Goals , выберем командуAdd Optimizer Goal . В открывшемся окне в списке из областиMeasurementsвыберем нужную характеристику (прямоугольник 1), затем в полеGoal(4) укажем цель (значение, относительно которого формируется требование к характеристике). В областиGoalType(2) выберем то, как должны соотноситься между собой выбранная характеристика и цель. Частотный диапазон, в котором должно выполняться выбранное неравенство, задается в областиRange(4). Нажатие кнопки ОК приводит к созданию выбранного требования или как принято говорить к созданию целевой функции. На рисунке  приведен пример создания целевой функции для характеристики выходной мощности УМ. Для создания целевой функции для КПД необходимо будет повторить командуAdd Optimizer Goal.

Рис. Вид окна создания целевой функции для выходной мощности УМ.

Выполним оптимизацию схемы. Для этого в пункте меню выберем команду Simulate → Optimize .

Значения выходной мощности и КПД для схемы УМ после оптимизации приведены на рисунке . Видно, что требования к характеристикам УМ выполняются.

Оптимальный режим работы УМ с точки зрения выше оговоренных требований к выходной мощности и КПД будет при смещении на затворе транзистора E_З0= -0,8 В,Uси =8 В, входной мощностиPin=17,23 дБм.

Рис. Коэффициент передачи и входной коэффициент отражения УМ после оптимизации его параметров.

Рис. Выходная мощность и КПД УМ после оптимизации его параметров.

Далее идеальные согласующие цепи (LTUNER2) следует заменить реальными.

Определим необходимые параметры согласующих цепей. Для этого возьмем схему УМ, получившуюся после оптимизации. Удалим из схемы модель транзистора, а к освободившимся выводам трансформаторов LTUNER2 подключим порты (рис. ). Для каждого трансформатора построим графики входных сопротивлений (вещественную и мнимую составляющие) со стороны выводов, к которым был подключен транзистор. Требуемая характеристика добавляется на график с помощью командыAdd Measurement → → Linear → ZIN.

Рис. Схема с исключенным транзистором для определения оптимальных параметров согласующих цепей.

Рис. Вещественная и мнимая составляющие импеданса входного согласующего трансформатора.

При этом входное сопротивление транзистора равно величине комплексно сопряженной полученной (3.84 + j8.37).

Рис. Вещественная и мнимая составляющие импеданса выходного согласующего трансформатора.