Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона - Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника дипломная работа

Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором. Анализ шумовых характеристик приборов. Построение усилителей мощности на основе интегральной микросхемы. Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности диапазона сверхвысокой частоты.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Тема: Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона
1. Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором
1.1 Исследование устойчивости схемы
1.2 Исследование шумовых характеристик
2. Исследование схемы с управляющим входным аттенюатором
2.1 Построение усилителей мощности на основе ИМС
2.2 Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности СВЧ диапазона
АФЧХ - амплитудно-фазовая частотная характеристика
АЧХ - амплитудно-частотная характеристика
КПД - коэффициент полезного действия
САУ - система автоматического регулирования
ЭВМ - электронно-вычислительная машина
Так как АФЧХ графически строится в определенном масштабе, то для вычисления запаса устойчивости по модулю можно просто измерить длины отрезков, соответствующих единице и ОВ, и разделить результат первого измерения на второй. Если увеличивать коэффициент усиления системы, то точка В будет смещаться влево и при ОВ=-1 коэффициент усиления примет критическое значение. Поэтому запас устойчивости по модулю можно определить и по формуле
1.2 Исследование шумовых характеристик
Шумы возникают в различных элементах устройств - в резисторах, конденсаторах, диодах и транзисторах. Относительно несложен анализ шумов на частотах выше приблизительно 5 кГц, где преобладают шумы дробового эффекта и тепловые шумы, пока на высоких частотах не начинает сказываться уменьшение коэффициента усиления активных элементов. На частотах ниже 5 кГц уровень экспериментально наблюдаемых шумов превосходит уровень тепловых шумов и шумов дробового эффекта и изменяется обратно пропорционально частоте - отсюда их название «Шумы типа 1/f».
Шумы дробового эффекта. В активных элементах устройств протекание тока является процессом переноса отдельных электронов, движущихся как заряженные частицы. Флуктуации тока через элемент связаны с изменениями во времени числа электронов, проходящих через поперечное сечение полупроводникового прибора. Шоттки в 1918 г. показал, что среднеквадратичное значение флуктуаций тока
где e=1.6·10 -19 Кл - заряд электрона; I - постоянная составляющая тока через полупроводниковым прибор в амперах; - полоса частот в герцах.
Шумы дробового эффекта характеризуются гауссовским распределением амплитуды, поскольку вызваны очень большим числом независимых составляющих.
Тепловые шумы . На проводниках возникает переменное напряжение, вызванное беспорядочным тепловым движением свободных электронов в объеме проводника. Согласно Джонсону и Найквисту среднеквадратическое значение напряжения холостого хода на любом проводнике может быть выражено как
где k=1/3805·10 -23 Дж/К - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура источника шума в кельвинах; R - сопротивление проводника в Омах; - полоса частот в герцах.
Тепловые шума также описываются гауссовским распределением амплитуды. В отличие от спектра шумов дробового эффекта, спектр этих шумов не зависит от частоты.
Можно показать, что максимальная мощность источника тепловых шумов составляет kT и при комнатной температуре эта величина (в дБм) равна
Низкочастотные (1/f) шумы . Третий часто встречающийся вид с гауссовским распределением амплитуды - низкочастотные шумы, известные также под названием избыточных шумов или шумов фликкер-эффекта. Шумы этого вида связаны с контактными и поверхностными неоднородностями в полупроводниках и вызваны флуктуациями проводимости среды, через которую протекает ток.
Спектральная плотность низкочастотных шумов (в ваттах), может быть описана выражением
где показатель степени н изменяется в пределах от 0,8 до 1,5. Впервые шумы этого вида были обнаружены Шоттки в электровакуумных приборах и названы им «фликкер-эффектом», поскольку казались связанными с мерцанием электронной эмиссии катода. Такого же рода шумы наблюдаются в резисторах и конденсаторах. В отличии от шумов дробового эффекта и тепловых, низкочастотные шумы не считаются неустранимыми и могут быть снижены соответствующей технологией обработки поверхности полупроводниковых приборов.
Высокочастотный усилитель можно рассматривать как умножитель частоты с коэффициентом умножения, равным единице. Таким образом, данное рассмотрение в равной мере применимо как к усилителям, так и к умножителям частоты.
Экспериментально показано, что спектральная плотность фазовых шумов, возникающих в усилителях и умножителях частоты (остаточных шумов), изменяется по закону 1/f на частотах от 1 Гц до 5 кГц и что шумы этого типа являются результатом непосредственной фазовой модуляции высокочастотного колебания, проходящего через устройство, в активных элементах последнего.
В отсутствии отрицательной обратной связи по высокой частоте типичное значение б(1) (величина фазовых шумов при отстройке 1 Гц) лежит в пределах от -110 до -120 дБ и определяется типом используемого транзистора. Типичное значение СПМ фазовых шумов, пересчитанное ко входу устройства составляет приблизительно б( f m )=-112+10lg f m дБ. (Это справедливо для кремниевых и германиевых полевых и биполярных транзисторов с любыми граничными частотами, с любым уровнем шумов фликкер-эффекта, независимо от типа корпуса.)
Снижение шумов достигается только введением отрицательной обратной связи по высокой частоте. Таким образом можно получить снижение уровня фазовых шумов на 30-40дБ.
Экспериментально показано, что на величину б(1) не оказывают существенного влияния ни значения рабочей частоты (в пределах до сотен мегагерц), ни уровень мощности входного колебания (при изменении последнего в разумных пределах). Не наблюдается также зависимости б(1) ни от режима работы усилителя (в классах А, В и С), ни от коэффициента умножения (включая единичный).
При частотах анализа свыше 5кГц преобладающими оказываются тепловые шумы. Величина отношения мощности одной боковой полосы частот шумов к мощности несущей определяется уровнем входной мощности, уровнем собственных тепловых шумов и коэффициентом шума устройства. Это отношение в полосе частот шириной 1 Гц, отнесенное ко входу, равно б( f m = 1Гц)=10lg( kT / P вх ) + F , где P вх - высокочастотная мощность на входе устройства; kT =4·10 -21 ; F -коэффициент шума устройства в децибелах.
На практике входное колебание также может обладать значительным уровнем фазовых шумов. Если рассматриваемое устройство представляет собой умножитель частоты на n, то эти шумы на выходе умножителя будут усилены на 20lg( n ) дБ. Повышение требований к характеристикам малошумящих СВЧ транзисторных усилителей для приемных трактов систем передачи вызывает необходимость полного и точного определения сигнальных и шумовых параметров транзистора. При этом надо стремиться как к уменьшению этапа эскизного проектирования, так и к сокращению этапа оптимизации усилителя на ЭВМ, что можно достичь рациональным выбором системы описания СВЧ транзистора. Известные соотношения | для расчета шумовых характеристик СВЧ транзисторов по физическим эквивалентным шумовым схемам и следующие из них выводы получены при использовании упрощенных эквивалентных схем и ряда допущений, приводящих при расчетах шумовых характеристик СВЧ транзисторных усилителей к большим погрешностям. Экспериментальное определение первичных шумовых параметров СВЧ транзисторов в системе S-параметров достаточно трудоемко и может быть проведено с относительно большой погрешностью, достигающей 40%, что ограничивает практическое использование этих параметров. Рассмотрим другой возможный способ описания первичных шумовых параметров СВЧ цепей, методику их измерения и расчета по полной эквивалентной схеме, найдем взаимосвязь параметров в различных схемах включения транзистора. Шумовые свойства транзистора будем характеризовать теоретическим коэффициентом шума F и мерой шума М ш
Шумовые параметры транзистора . СВЧ транзистор как автономный четырехполюсник может быть описан волновыми параметрами, из которых наибольшее практическое применение получили S-параметры (рассеяния) и T-параметры (передачи). T-параметры реже используются на практике, хотя, как будет показано ниже, их использование для анализа свойств СВЧ транзисторов значительно упрощает расчет шумовых характеристик усилителей.
Уравнение автономного четырехполюсника в системе нормированных T-параметров имеет вид
здесь -- соответственно комплексные действующие значения падающих и отраженных волн; Т i,j , -- нормированные неавтономные параметры передачи; -- автономные параметры.
При расчетах шумовых характеристик СВЧ цепей запись всех формул упрощается, если использовать элементы нормированной матрицы спектральных плотностей
где индекс (+) означает эрмитово сопряженную матрицу. Элементы t i,j являются первичными шумовыми параметрами СВЧ автономного четырехполюсника в системе T-параметров.
Расчет шумовых характеристик . Рассмотрим шумовые характеристики транзистора при подключении к нему источника сигналов с коэффициентом отражения Гг и произвольной нешумящей нагрузки. Исследуя пути прохождения шумовых волн в цепи, получим выражение для коэффициента шума
Соотношение (1.23) есть уравнение окружности постоянного значения коэффициента шума на плоскости Гг с центром
Приравнивая радиус Rш к нулю, получим минимальное значение коэффициента шума F мин и соответствующее ему значение оптимального коэффициента отражения источника сигнала Гг.ш.:
-- номинальный коэффициент передачи по мощности, здесь . Подставив (1.17) и (1.21) в (1.20), получим координаты центра и радиус окружности постоянного значения меры шума:
где ; . Приравнивая радиус Rм к нулю, получим величину минимальной меры шума
и оптимальное значение коэффициента отражения генератора сигналов
Определение шумовых параметров. Из вышеприведенных соотношений следует, что, определив экспериментально величины Fмин, Гг.ш и коэффициент шума транзистора в стандартном тракте Гo, т. е. при Гг=0, можно рассчитать искомые шумовые параметры
Так как коэффициенты шума могут быть измерены с малой погрешностью, точность измерения параметров t i,j полностью определяется погрешностью измерения величины Г Г.Ш , которая практически может быть снижена до 5--10%. Поэтому точность экспериментального определения первичных шумовых t-параметров значительно выше, чем при измерении шумовых параметров в 5-системе. При использовании транзистора на высоких частотах в схеме с общим эмиттером (ОЭ) можно считать [8], где -- коэффициент отражения от входа транзистора в стандартном тракте. Использование этого приближенного значения значительно упрощает процесс экспериментального определения первичных шумовых t -параметров.
В ряде случаев при расчете СВЧ транзисторных усилителей на ЭВМ предпочтительней использовать полную физическую эквивалентную схему транзистора, шумовые источники учитываются обычным способом. На первом этапе такого расчета проще определить параметры транзистора в Y-системе, т. е. вычислить Y-параметры и элементы матрицы шумовых токов короткого замыкания [ Iш ], после чего найти искомые параметры в Y-системе по соотношениям
где Rо -- сопротивление нормировки; Y i,j -- нормированные по R о Y-параметры транзистора.
Отметим, что полученные выше формулы для коэффициента шума и меры шума проще соответствующих формул в системе S-параметров, а экспериментальное определение первичных шумовых t-параметров менее трудоемко и более точно. Но особенно заметно преимущество использования параметров в T-системе сказывается при анализе и параметрическом синтезе многотранзисторных СВЧ усилителей (каскадных и многокаскадных), так как для каскадного соединения N четырехполюсников общая T-матрица усилителя определяется в виде
Эти соотношения содержат лишь операции сложения и умножения, что приводит к сокращению требуемого машинного времени при упрощении алгоритма расчета. Аналогичные формулы в системе S-параметров более громоздки и неудобны при машинном анализе сложных соединений шумящих СВЧ цепей. Целесообразность использования шумовых t-параметров подтверждают результаты исследования шумовых свойств СВЧ балансных усилителей.
Естественно, что практически можно использовать и смешанную систему параметров, т. е. неавтономные параметры описывать в S-системе, а автономные -- шумовыми t-параметрами. В этом случае при экспериментальном определении всех параметров транзистора может быть достигнута наибольшая точность расчетов, так как эти параметры определяются экспериментально с наибольшей точностью.
Взаимосвязь шумовых параметров транзистора в различных схемах включения. Так как наибольшее распространение в СВЧ диапазоне получила схема включения транзистора ОЭ, то выразим шумовые параметры
транзистора в схемах с общей базой (ОБ) и с общим коллектором (ОК) через параметры схемы ОЭ. Для этого случая были получены соотношения:
параметры Т i,j определены для схемы ОЭ. При выводе этих соотношений не использовались какие-либо допущения, поэтому они справедливы для любого частотного диапазона. Отметим, что аналогичные соотношения в системе S-параметров настолько громоздки, что практически не используются.
Из анализа (1.26) и (1.27) следует, что шумовые параметры транзистора в различных схемах включения отличны друг от друга. Поэтому при произвольной проводимости источника сигнала коэффициенты шума транзистора в схемах ОЭ, ОБ и ОК не равны. Однако можно найти условия, определяющие области равенства коэффициентов шума этих схем. Так, свойства схем ОЭ и ОБ примерно равны, если
Соответственно коэффициенты шума схем ОЭ и ОК равны, если . Расчеты показывают, что эти условия выполняются лишь на относительно низких для данного транзистора частотах.
Зависимости первичных шумовых параметров от тока эмиттера
По предложенной методике были измерены шумовые t -параметры ряда отечественных СВЧ транзисторов. На рис. 7 приведены зависимости t -параметров от тока эмиттера 1 Э на частоте 3,6 ГГц для транзистора КТ391  
Зависимости минимального коэффициента шума от тока эмиттера в трех схемах включениях
на рис. 8 -- зависимости минимального значения коэффициентов шума транзистора КT391 для трех схем включения на частотах 1 ГГц (сплошные линии), 3,6 ГГц (пунктирные линии) и 5 ГГц (штрихпунктирные линии).
Выводы: 1. Использование параметров СВЧ транзистора в T-системе значительно упрощает экспериментальное определение первичных шумовых параметров и анализ шумовых характеристик многокаскадных усилителей. 2. Полученные соотношения позволяют оценить шумовые свойства транзистора в различных схемах включения, что облегчает выбор схемы усилителя при заданных требованиях на шумовые характеристики. 3. Применение T-параметров транзисторов позволило при параметрическом синтезе многокаскадного усилителя на элементах с распределенными постоянными сократить на 40% машинное время по сравнению со случаем использования S-параметров.
Для повышения выходной мощности необходимо увеличивать ширину затвора ПТШ. При непосредственном параллельном соединении большого числа идентичных маломощных транзисторов для увеличения суммарной ширины затвора возникает ограничение на их число из-за появления разности фаз во входных и выходных сигналах отдельных транзисторов и снижения эффективности сложения мощности. Поэтому определенный интерес представляют усилители, состоящие из нескольких параллельных согласованных секций, объединенных по две. Схема такого усилителя, состоящего из четырех секций, приведена на рис. 13 изображена только половина схемы, вторая половина аналогична первой. Следует отметить, что метод непосредственного сложения мощностей позволяет увеличить верхнюю рабочую частоту, но применим только в узком диапазоне частот (±20% от центральной частоты) и является малоэффективным для широкополосных усилителей.
Четырехтранзисторный усилитель с параллельным сложением мощности
2.2 Пример расчета транзисторного полосового усилителя мощности СВЧ диапазона
При разработке выходных каскадов ПУМ основными являются требования получения максимальной выходной мощности в нагрузке, максимального КПД и максимального коэффициента усиления в заданной полосе рабочих частот. Указанные требования обуславливают выбор структуры каскадов и режимов их работы. Транзисторы выходных каскадов ПУМ работают, как правило, в режиме с отсечкой коллекторного тока с использованием стабилизаторов напряжения базового смещения. Формирование амплитудно-частотных характеристик ПУМ осуществляется с помощью корректирующих цепей (КЦ), устанавливаемых между выходными каскадами. Оптимальное сопротивление нагрузки мощного транзистора, на которое он отдает максимальную мощность, составляет единицы Ом. Поэтому при работе ПУМ на стандартный антенно-волноводный тракт с сопротивлением Rн равным 50 или 75 Ом между выходным транзистором ПУМ и входом антенно-волноводного тракта устанавливается трансформатор сопротивлений, обеспечивающий реализацию оптимального сопротивления нагрузки выходного транзистора Rопт. Исходя из вышесказанного, функциональная схема выходных каскадов ПУМ может быть представлена в виде, приведенном на рис. 14.
Функциональная схема выходных каскадов ПУМ
Используемые в настоящее время методы проектирования ПУМ передатчиков систем радиосвязи диапазона метровых и дециметровых волн основаны на применении однонаправленной модели мощных биполярных транзисторов. Согласно этой модели входной и выходной импедансы транзистора описываются RC - и RL - цепями (рис. 15), а его коэффициент усиления по мощности в режиме двухстороннего согласования падает с ростом частоты со скоростью 6 дБ на октаву, то есть выражается формулой :
где f mag - частота, на которой коэффициент усиления транзистора по мощности в режиме двухстороннего согласования равен единице; f - текущая частота.
Значение f mag рассчитывается по справочным данным транзистора по формуле: где G ном (f вч ) - коэффициент усиления по мощности на высокой частоте, равной f вч , справочная величина; f вч - частота, на которой проводилось измерение G ном (f вч ), справочная величина.
Однонаправленная модель транзистора
Формула (2.1) и однонаправленная модель (рис. 15) справедливы для области рабочих частот выше , где - статический коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером, справочная величина; f т - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером, справочная величина.
Значения элементов однонаправленной модели биполярного транзистора, представленной на рис. 2, могут быть рассчитаны по формулам:
Где Lб,Lэ - индуктивности выводов базы и эмиттера, справочная величина;
Ск - емкость коллекторного перехода, справочная величина;
фос - постоянная времени обратной связи, справочная величина;
Uкэ.max, Iк.max максимально допустимые напряжение коллектор- эмиттер и постоянный ток коллектора, справочные величины.
Используемые в настоящее время схемные решения построения корректирующих цепей, трансформаторов сопротивлений и стабилизаторов напряжения базового смещения ПУМ отличаются большим многообразием. Наиболее эффективными и простыми являются схемные решения указанных устройств, использованных в принципиальной схеме выходного и предоконечного каскадов ПУМ, приведенных на рис. 16.
Принципиальная схема выходного и предоконечного каскадов ПУМ
На рис. 16 элементы C1, C2, L1 формируют КЦ - 1, элементы C 5, C 6, L 3 формируют КЦ - 2, элементы L7, C8, C9, L8 формируют выходной трансформатор сопротивлений, стабилизатор напряжения базового смещения выполнен на транзисторах VT 2 и VT 4.
Разработка усилителя мощности, с использованием операционных усилителей, класс работ АБ (вид и спад амплитудно-частотных характеристик не имеет значения) с заданными параметрами выходной мощности, тока нагрузки, входного напряжения, диапазона частот. курсовая работа [1,6 M], добавлен 16.07.2009
Описание блок–схемы транзисторного двухкаскадного усилителя мощности низких частот. Вычисление мощности, потребляемой цепью коллектора транзистора от источника питания. Расчёт выходного и предварительного каскадов усилителя, фильтра нижних частот. контрольная работа [323,8 K], добавлен 18.06.2015
Определение назначения, анализ технических характеристик и описание принципиальной схемы усилителя мощности звуковой частоты. Выбор контрольных точек усилителя, расчет трансформатора и стабилизатора напряжения прибора. Алгоритм диагностики усилителя. курсовая работа [127,5 K], добавлен 26.01.2014
Методы измерения параметров и характеристик усилителей низкой частоты. Изменение входного сигнала в заданных пределах, частоты генератора. Выходное напряжение при закороченном и включенном сопротивлении на входе усилителя. Входная емкость усилителя. лабораторная работа [21,8 K], добавлен 19.12.2014
Широкое применение безтрансформаторных усилителей мощности. Выполнение современных усилителей небольшой мощности по безтрансформаторным схемам для уменьшения габаритов, массы, стоимости и расширения полосы пропускания устройства. Выбор типа транзистора. контрольная работа [811,0 K], добавлен 03.12.2010
Применение ЛБВ в радиолокационно-связной аппаратуре. Технические требования по реализации усилителя мощности, расчет основных узлов импульсного источника, обоснование проекта. Влияние на организм человека электромагнитных полей радиочастотного диапазона. дипломная работа [564,7 K], добавлен 25.06.2010
Особенности применения современных средств проектирования для анализа усилителя мощности звуковой частоты с малыми нелинейными искажениями. Анализ моделирования схемы усилителя мощности звуковой частоты для автомобильной звуковоспроизводящей аппаратуры. курсовая работа [1,1 M], добавлен 07.04.2010
Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д. PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах. Рекомендуем скачать работу .

© 2000 — 2021



Разработка усилителей мощности СВЧ диапазона дипломная работа. Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника.
Курсовая Виды Производства
Империя Карла Великого И Его Распад Реферат
Эссе На Тему Иван 3
Эссе Успешный Ученик
Реферат: Общее представление об интернет-трейдинге
Гимнастика Сабағының Құрылымы Реферат
Курсовая работа по теме Комплекс маркетинговых коммуникаций: элементы, формы и содержание
Сочинение По Тексту Васильева
Реферат: IliadGods In Homeric Society Essay Research Paper
Реферат по теме Экранирование электромагнитных полей, узлов радиоэлектронной аппаратуры и их соединений. Материалы д...
Отчет По Производственной Практике Сайт
Сочинение: Нравственный идеал автора
Пособие по теме Курс общей теории статистики
Реферат: Подготовка к разработке техпроцесса сборки электронно-оптических систем. Скачать бесплатно и без регистрации
Напишите Эссе На Тему Интеллигентный Человек
Как Писать Сочинение Сравнение Картин
Реклама Реферат
Курсовая работа: Военные рассказы Л.Н. Толстого в оценках критиков XIX века
Реферат по теме Кровотечения, их классификация и первая медицинская помощь при них
Реферат: Братья и сестры 2
Формы офсетной плоской печати - Журналистика, издательское дело и СМИ контрольная работа
Приговор: понятие, значение, структура и виды - Государство и право курсовая работа
Доказывание в арбитражном процессе - Государство и право дипломная работа