Vysokofrekvenční obvody s aktivními

Prezentace na téma: "Vysokofrekvenční obvody s aktivními"— Transkript prezentace:

1 Vysokofrekvenční obvody s aktivními
prvky Základními aktivními prvky ve vysokofrekvenční technice jsou bipolární a unipolární tranzistory. Dalšími aktivními prvky jsou hybridní nebo monolitické integrované obvody.

2 Tranzistory – základní dělení
Bipolární (BJT - B-báze, E-emitor, C-kolektor) Unipolární (FET – G-(gate)báze, S-(source) D-(drain)kolektor Polovodičový substrát - křemík (Si) - Galium Arsenid (GaAs), (GaN)

3 Technologie – MOSFET, MESFET, HEMT
Úroveň signálu – nízkošumové, pro malé signály, výkonové Modely tranzistoru pro návrh obvodů Linearizovaný dvojbran (pro malé signály) Fyzikální model tranzistoru (pro nelinární obvody)

4 Tranzistor jako linearizovaný dvojbran

5 vstupní admitance při výstupu nakrátko zpětnovazební admitance při vstupu nakrátko přenosová admitance při výstupu nakrátko výstupní admitance při vstupu nakrátko

6

7 Rozptylové parametry tranzistoru

8 vstupní napěťový činitel
odrazu při vložné napěťové zesílení ve zpětném směru při vložné napěťové zesílení v přímém směru při výstupní napěťový činitel odrazu při

9 Rozptylové parametry tranzistoru jsou bezrozměrná komplexní čísla závislá na pracovním bodě tranzistoru, kmitočtu, teplotě a na charakteristické impedanci vedení. Obvykle Parametry a jsou činitelé odrazu a jako takové je lze zakreslit do Smithova diagramu. Jejich modul nabývá hodnot v rozmezí 0 až 1.

10 Modul parametru bývá menší než 0,1.
Modul parametru bývá větší než 1 (do cca 30). Výrobci udávají rozptylové parametry tranzistorů buď v tabulkové formě nebo graficky.

11 Fyzikální vf model bipolárního tranzistoru Ebers-Mollův Giacolettův

12 Mezní kmitočty tranzistoru

13 Zesilovače (úzkopásmové)

14 Náhradní obvod pro výpočet

15 Vstupní admitance zesilovače

16 Výstupní admitance zesilovače
V rovině s pro činitele odrazu generátoru a zátěže

17 Napěťové zesílení Proudové zesílení

18 Výkonové zesílení

19 Provozní výkonové zesílení je poměr činného výkonu dodávaného do zátěže (nemusí být přizpůsobena) a činného výkonu dodávaného generátorem do vstupu tranzistoru za podmínky výkonového přizpůsobení, kdy platí

20 Dosažitelné výkonové zesílení je poměr činného dosažitelného výkonu , který je tranzistor schopen dodat do přizpůsobené zátěže a činného dosažitelného výkonu , který je generátor schopen dodat do přizpůsobeného vstupu tranzistoru. Vstup tranzistoru nemusí být přizpůsoben. Obecně platí, že dosažitelný výkon zdroje nezávisí na zátěži (vstupní admitanci tranzistoru) a je funkcí pouze parametrů zdroje.

21 Maximální dosažitelné výkonové zesílení je poměr činného výkonu dodávaného do zátěže za podmínky výkonového přizpůsobení a činného výkonu dodávaného generátorem do vstupu tranzistoru také za podmínky výkonového přizpůsobení. Definice platí pro absolutně stabilní zesilovač.

22 Absolutní stabilita zesilovače –imitanční
kritérium Pro všechny pasivní admitance na vstupu a výstupu Jinak je zesilovač potenciálně nestabilní

23 Rolletův činitel stability
absolutně stabilní potenciálně nestabilní

24 Analýza zesilovače (obecná)

25 kde

26 Podmínka pro vznik oscilací
regenerační úhel regenerační činitel zesilovače

27 Nejhorší případ regenerační činitel tranzistoru

28

29 (3 až 20) Při velkých hodnotách činitele stability vychází malá hodnota regeneračního činitele , kterou zajistíme zvýšením hodnoty součinu , tj. větším zatížením vstupu a (nebo) výstupu tranzistoru. V takovém případě je sice zaručen stabilní režim, avšak za cenu malého zesílení zesilovače.

30 Naopak při malých hodnotách činitele stability má regenerační činitel větší hodnotu a vstup resp. výstup tranzistoru nemusí být tolik zatížen připojenými vodivostmi. Zesilovač může dosáhnout dostatečného zesílení, avšak je náchylný k nestabilitě.

31 Návrh linearizovaného zesilovače při popisu rozptylovými parametry

32 Dosažitelný provozní zisk
Vstupní a výstupní činitel odrazu a

33

34 Rollettův činitel stability

35 Zesilovač je nepodmíněně stabilní, je-li
Tato podmínka je ekvivalentní a

36 Agilent ATF-55143 - nízko šumový, pseudomorphic HEMT
VDS = 2 V, ID = 10 mA

37

38 Pro maximální provozní zisk lze také odvodit
Pro K = 1 je tento zisk maximální Pro nepodmíněně stabilní tranzistor lze definovat dosažitelný zisk

39 je-li vstupní a výstupní činitel odrazu
Tímto způsobem lze stanovit konkrétní zesílení na daném kmitočtu, je-li tranzistor absolutně stabilní (!) (to je ale jenom málo kdy). Mnohem praktičtější je následující postup. V rovnici pro GT položíme , což prakticky znamená, že jsme zanedbali vnitřní zpětnou vazbu v tranzistoru. Při výpočtu zesílení tím nevznikne velká chyba ale stabilitu musíme vyšetřit jiným způsobem.

40 Provozní zisk unilateralizovaného zesilovače
potom je a Rovnici pro GTU můžeme potom napsat

41 v které

42 Při výkonovém přizpůsobení na vstupu a výstupu

43 Velikost chyby, která vznikne položením
lze stanovit ze vztahu kde

44 Imitanční kriterium stability
│Γ│ = 1

45 V obou rovinách činitele odrazu (v rovině zátěže a v rovině generátoru) lze nalézt přesně vymezené oblasti činitele odrazu zátěže (generátoru), při nichž na opačné bráně bude mít vstupní (výstupní) činitel odrazu velikost větší než jedna, což odpovídá imitanci se zápornou reálnou složkou (záporný odpor nebo vodivost) a je příčinou potenciální nestability. Z principu je touto hraniční křivkou opět kružnice. V rovině zátěže jsou souřadnice středu a poloměr kružnice stability

46 Kružnice odpovídá právě

47 Podobně v rovině generátoru – souřadnice středu
a poloměr kružnice stability

48 Kružníce nyní odpovídá

49 Rovnice pro GTU v tomto tvaru nám umožňují velmi efektivně počítat příspěvek zisku plynoucí z přizpůsobení na vstupu a na výstupu. Vrstevnice jsou opět kružnice a spolu s kružnicí stability vymezují oblast optimálních imitancí zátěže a generátoru.

50

51

52 Šumový činitel [W, J.K-1, K, Hz]

53 Šumové číslo Kaskádně řazené linearizované dvojbrany

54 Šumový činitel rf atenuátoru
RF atenuátor je dvojbran sestávající pouze z rezistorů. Je-li výkonový přenos atenuátoru AF (při výkonovém přizpůsobení na vstupu i výstupu atenuátoru), je šumový činitel atenuátoru

55 Šumové přizpůsobení

56 Šumová šířka pásma