Nízkošumový zesilovač 11 GHz Ing. Martin Randus ČVUT - Fakulta elektrotechnická Katedra elektromagnetického pole

Požadované parametry zesilovače Co nejnižší šumové číslo zesilovače a zisk G ≥ 10 dB na frekvenci f = 11 GHz K dispozici jsou pouzdřené tranzistory HEMT typu ATF-36077 a změřené malosignálové s-parametry tranzistoru. Šumové parametry tranzistoru jsou převzaty ze změřených souborů s-parametrů poskytovaných výrobcem [1] (obr. 2). Referenční roviny tranzistoru jsou na hranách pouzdra tranzistoru (obr. 1). Gate tranzistoru bývá zpravidla označen tečkou. !ATF-36077 !S AND NOISE PARAMETERS at Vds=1.5V Id=10mA. LAST UPDATED 06-27-94 # ghz s ma r 50 0.5 0.998 -9 5.050 171 0.009 83 0.60 -7 1 0.99 -17 5.010 163 0.016 78 0.60 -14 … 18 0.57 97 3.291 -64 0.094 -65 0.26 148 1 0.30 0.95 12 0.40 2 0.30 0.90 25 0.20 18 0.65 0.39 -100 0.09 s-parametry šumové parametry S G D Obr. 1 Referenční roviny tranzistoru Obr. 2 Ukázka souboru s-parametrů, včetně šumových parametrů, poskytovaných výrobcem [1] Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 1 z 12

Návrh nízkošumového zesilovače 1. Volba pracovního bodu tranzistoru Pro dosažení nejnižšího šumového čísla tranzistoru použijeme výrobcem [1] doporučený pracovní bod UDS = 1,5 V a proud IDS = 10 mA, pro který jsou také platné převzaté šumové parametry tranzistoru [2]. 2. Rolettův činitel stability Vypočítáme velikost Rolettova činitele stability použitého tranzistoru [2] (obr. 3) – v AWR Microwave Office lze použít měření \Linear\K. Na dané frekvenci f = 11 GHz je K < 1, tzn. že tranzistor je potenciálně nestabilní. Nelze ideálně přizpůsobit na vstupu a výstupu zároveň. Na vstupu tranzistoru ale budeme provádět přizpůsobení pro nejmenší šumové číslo, které je výrazně jiné než přizpůsobení pro dosažení maximálního zisku. Nemožnost ideálního přizpůsobení na vstupu nám tedy nemusí vadit. Obr. 3 Rolettův činitel stability použitého tranzistoru Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 2 z 12

Návrh nízkošumového zesilovače – přizpůsobení na vstupu 1 2 Match_In Match_Out ATF36077 LNA Obr. 4 Definice referenčních rovin při návrhu tranzistorového zesilovače 3. Vynesení bodu ideálního šumového přizpůsobení tranzistoru v rovině ΓG Pro vynesení bodu lze v AWR Microwave Office použít měření \Linear\Noise\GMN (obr. 5). 4. Vynesení kružnic konstantního dosažitelného zisku tranzistoru v rovině ΓG Pro vynesení kružnic lze v AWR Microwave Office použít měření \Linear\Circle\GAC_MAX (obr. 5). 5. Vynesení kružnic stability tranzistoru v rovině ΓG Pro vynesení kružnic stability tranzistoru ve vstupní rovině lze v AWR Microwave Office použít měření \Linear\Circle\SCIR1 (obr. 5). 6. Návrh vstupního přizpůsobovacího obvodu (včetně napájecích filtrů) tak, aby koeficient odrazu na jeho výstupu odpovídal bodu ideálního šumového přizpůsobení (obr. 6) Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 3 z 12

Návrh nízkošumového zesilovače – přizpůsobení na vstupu 1 2 C1 C2 R1 R2 Obr. 5 Zobrazení bodu optimálního šumového přizpůsobení tranzistoru (GMN), kružnic konstantního dosažitelného zisku (GAC) (lze očekávat zisk kolem 13,5 dB) a kružnice stability tranzistoru ve vstupní rovině (SCIR1). Obr. 6 Navržený vstupní přizpůsobovací obvod včetně napájecího filtru (Match_In) Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 4 z 12

Návrh nízkošumového zesilovače – přizpůsobení na výstupu 7. Vynesení koeficientu odrazu na výstupu tranzistoru při připojení vstupního přizpůsobovacího obvodu (obr. 7) 8. Vynesení kružnic stability tranzistoru v rovině ΓL Pro vynesení kružnic stability tranzistoru ve výstupní rovině lze v AWR Microwave Office použít měření \Linear\Circle\SCIR2 (obr. 7). 9. Návrh výstupního přizpůsobovacího obvodu (včetně napájecích filtrů), který přizpůsobí výstup tranzistoru s připojeným vstupním přizpůsobovacím obvodem k 50 Ω (obr. 8). Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 5 z 12

Návrh nízkošumového zesilovače – přizpůsobení na výstupu 1 2 C3 C4 R3 R4 * Obr. 7 Zobrazení koeficientů odrazu na výstupu tranzistoru při připojení vstupního přizpůsobovacího obvodu (* S(2,2) LNA zde odpovídá Γ2 podle obr. 4) a na vstupu navrženého výstupního přizpůsobovacího obvodu (S(1,1) Match_Out), které jsou vzájemně komplexně sdružené a kružnice stability tranzistoru ve výstupní rovině tranzistoru (SCIR2). Obr. 8 Navržený výstupní přizpůsobovací obvod včetně napájecího filtru (Match_Out) Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 6 z 12

Výsledné parametry zesilovače – simulace Obr. 9 Výsledky simulace parametrů nízkošumového zesilovače v AWR Microwave Office ve frekvenčním pásmu 2-18 GHz. Obr. 10 Výsledky simulace šumového čísla nízkošumového zesilovače v AWR Microwave Office ve frekvenčním pásmu 12-18 GHz a porovnání s minimálním dosažitelným šumovým číslem. Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 7 z 12

Layout a realizace nízkošumového zesilovače Obr. 11 Layout bloku zesilovače v AWR Microwave Office Obr. 12 Realizace zesilovače Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 8 z 12

Změřené parametry realizovaného zesilovače Obr. 13 Změřené s-parametry realizovaného nízkošumového zesilovače umístěného v kovové krabičce opatřené SMA konektory (obr. 12 ). Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 9 z 12

Závěr Byl proveden návrh a realizace nízkošumového tranzistorového zesilovače na frekvenci 11 GHz. Názorně byl v jednotlivých krocích ukázán postup návrhu nízkošumového zesilovače a také fyzická realizace zesilovače. Byly uvedeny výsledky simulací zesilovače pomocí návrhového softwaru AWR Microvawe Office. Dále byly uvedeny výsledky měření na realizovaném nízkošumovém zesilovači. Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 10 z 12

Závěr Teoretické znalosti, které jsou k návrhu takovýchto mikrovlnných obvodů nutné, je možné získat v následujících předmětech nabízených katedrou elektromagnetického pole FEL ČVUT v Praze: X17PME – Planární mikrovlnná technika zabývá se různými typy mikrovlnných vedení, strukturami a návrhem pasivních planárních prvků (např. Wilkinsonovy děliče výkonu, hybridní členy, odbočnice, filtry…) X17AMO – Aktivní mikrovlnné obvody zabývá se problematikou impedančního přizpůsobování a návrhem aktivních mikrovlnných obvodů, jako jsou zesilovače, směšovače a násobiče X17CAM – CAD pro mikrovlnnou techniku základy práce v profesionálním návrhovém CAD softwaru AWR Microwave Office X17MMS – Mikrovlnné měřicí systémy zabývá se měřením mikrovlnných komponent a systémů, skalárními i přesnými vektorovými měřeními (např. měření s-parametrů tranzistoru) X17LTM – Laboratoř mikrovln, antén a optických komunikací návrh a praktická realizace mikrovlnných nebo optických komponent – projekt řeší skupina studentů (např. realizace planárního mikrovlnného děliče výkonu, optické vláknové odbočnice) Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 11 z 12

Doporučená literatura [1] Avago Technologies, URL: www.avagotech.com [2] Hoffmann, K., Hudec, P., Sokol, V. Aktivní mikrovlnné obvody. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2004. ISBN 80-01-02936-0. [3] Vendelin, G. D., Pavio, A. M., Rhode, U. L. Microwave Circuit Design Using Linear and Nonlinear Techniques, 2nd Ed. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2005. ISBN 0-471-41479-4. Randus, M.: Nízkošumový zesilovač 11 GHz strana 12 z 12