Navrh zesilovace

Priklad reseni zapoctove ulohy pro studenty 3. rocniku FEL CVUT.
Tento priklad je dosud ve vystavbe - pokracuji tak rychle, jak cas dovoli.
Tato stranka je uvedena bez ceske diakritiky. (bez hacku a carek). Pokud Vam to nevyhovuje, si vyberte kodovani cestiny.

ASCII | Latin-2 | WIN | IBM 852 | MAC | Latin-1 | Kam (KEYBCS2) | Koi-8

Pro kontrolu: Prilis zlutoucky kun upel dabelske ody.

Zadani ulohy

Navrhnete prizpusobovaci obvody uzkopasmoveho zesilovace s tranzistorem BFR90 na frekvenci 1,2 GHz. Navrh provedte

a) se soucastkami se soustredenymi parametry b) s useky mikropaskovych vedeni na podlozce silne 0,8 mm, o relativni permitivite rovne ctyrem, pokovene medi o sile 30 mikrometru. Ztratovy cinitel materialu desticky je roven 0,003.

Stabilitou zesilovace mimo navrhovanou frekvenci se nezabyvejte.

Mozny postup reseni:

Nejprve si prohledneme zavislosti parametru tranzistoru na frekvenci a overime, zda je tranzistor stabilni. Parametry tranzistoru nalezneme v podadresari DATA. Priklad souboru pro program MIDE nasleduje:
freq
step 0.1 GHz 2 GHz 50 MHz
end

blo tranz 1 2
2port 1 2 data\bfr90.spr
end

Analyzou dospejeme k nasledujicim grafum (pri vhodnem nastaveni grafiky): Grafy Rolletuv cinitel stability je na uvazovane frekvenci vetsi nez 1. Tranzistor budeme povazovat za stabilni. V nasledujicim kroku navrhneme prizpusobovaci obvody z useku idealnich vedeni.
Pokud by tranzistor nebyl stabilni na frekvenci, na niz mate zesilovac navrhnout, vyhledejte cviciciho nebo prednasejiciho a pozadejte jej o zmenu zadani. Takovy navrh by presahoval rozsah predmetu CAD pro vf techniku. (Naopak naucit se takovym navrhum muzete v predmetu Aktivni mikrovlnne obvody.)
Volime-li pahyly na koncich otevrene, muze zapis obvod vypadat takto: Nacrt zesilovace Obvod pak zadame do MIDE takto:
opt
1.2 GHz DS11 < -40
1.2 GHz DS22 < -40
end

freq
step 0.1 GHz 2 GHz 50 MHz
end

var L1  5.000E+0000 DEG  20 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0
var L3  5.000E+0000 DEG  20 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0
var L2  5.000E+0000 DEG  20 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0
var L4  5.000E+0000 DEG  20 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0

blo tranz 1 2
2port 1 2 data\bfr90.spr
end

blo matchinp 1 99
itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l1 F=1.2 GHz
ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah1 F=1.2 GHz
end

blo matchout 1 99
itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l2 F=1.2 GHz
ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah2 F=1.2 GHz
end

blo zesik 1 4
matchinp 2 1
tranz 2 3
matchout 3 4
end

Pritom jsme vsechny useky vedeni a pahyly uvazovali o elektricke delce 20 stupnu. Delku potrebnou pro prizpusobeni stanovime optimalizaci (Menu Calc, volba Optimize). Po skonceni optimalizace se vykresli nasledujici graf, ve kterem jsou parametry obvodu pred optimalizaci znazorneny sedou barvou, optimalizovane parametry pak zlute:
Grafy
Soubor se provedenim optimalizace zmenil - do radku definujicich promenne byly dosazeny optimalni hodnoty (jako druhy ciselny udaj na radku):
opt
1.2 GHz DS11 < -40
1.2 GHz DS22 < -40
end

freq
step 0.1 GHz 2 GHz 50 MHz
end

var L1  5.000E+0000 DEG  1.95748E+0001 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0
var L3  5.000E+0000 DEG  5.22355E+0001 DEG  1.900E+0002 DEG R   10.0
var L2  5.000E+0000 DEG  5.42225E+0001 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0
var L4  5.000E+0000 DEG  1.16142E+0002 DEG  1.800E+0002 DEG R   10.0

blo tranz 1 2
2port 1 2 data\bfr90.spr
end

blo matchinp 1 99
itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l1 F=1.2 GHz
ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah1 F=1.2 GHz
end

blo matchout 1 99
itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l2 F=1.2 GHz
ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah2 F=1.2 GHz
end

blo zesik 1 4
matchinp 2 1
tranz 2 3
matchout 3 4
end

Nahrada idealnich vedeni vedenim mikropaskovym

Zesilovac je nyni navrzen s pomoci idealnich vedeni. Takova vedeni slouzi toliko jako matematicky model. V zadani se pozaduje realizace zesilovace na mikropaskovem vedeni. Proto nyni nahradime useky idealniho vedeni useky vedeni mikropaskoveho. Pomoci programu pro anylyzu a syntezu vedeni (ktery muzeme z MIDE vyvolat soucasnym stiskem klaves Alt a L, nebo volbou v nabidce Calc) snadno zjistime, ze mikropaskove vedeni na dane podlozce pro frekvenci 1.2 GHz ma mit sirku w rovnu 1.6 mm. Vlnova delka pak je rovna 143 mm. Program TL pri vypoctu Vypoctene vysledky lze po ukonceni programu pro navrh vedeni vyvolat z editoru MIDE soucasnym stiskem klaves Alt a U, nebo volbou v nabidce Window. Vysledek je v textove forme zapsan takto:
synthesis of microstrip line
w(s) .....  1.60884893799448E+0000
lamg .....  1.43070002066204E+0002
betac ....  6.41191935616007E-0001
betad ....  5.13098128811180E-0001
beta .....  1.15429006442719E+0000

Pozor, delky jsou v mm a utlumy v dB/m, lamg znaci vlnovou delku vlny na vedeni.

Nyni pristoupime k zamene vedeni. Je-li vedeni dlouhe prave jednu vlnovou delku, pak ma elektrickou delku 360 stupnu. Potrebnou fyzickou delku vypocteme trojclenkou. Budeme-li k tomu potrebovat kalkulator, pak jej muzeme v MIDE vyvolat soucasnym stiskem klaves Alt a K, nebo prostrednictvim nabidky Window. Vysledek z kalkulatoru lze zkopirovat do editovaneho souboru na pozici kurzoru soucasnym stiskem klaves Alt a =.

Tak napriklad prvy prizpusobovaci obvod nahradime takto:


const wm 1.6 mm

blo matchinp 1 99
sub er=4 J h=0.8 mm TD=0.003 J S=5e7 S/M T=30 mim
*itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l1 F=1.2 GHz
mistr 1 2 w=wm l=7.77 mm
*ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah1 F=1.2 GHz
itee 2 99 3
mistr 3 4 w=wm l=20.75 mm
open 4
end

Pritom byl vzdy ponechan radek oznacujici prvek idealni, a pod nim proveden zapis s pouzitim mikropaskoveho vedeni. Pokud by (patrne diky tomu, ze pri opisovani cisel zaokrouhlime) nebylo prizpusobeni uplne presne, optimalizujeme delky obou mikropasku.

Zavedeni diskontinuit

Nyni zbyva rozsirit uvazovany model obvodu o vliv diskontinuit na vedeni, v nasem pripade otevreneho konce mikropaskoveho vedeni a odboceni (T). To provedeme takto:
const wm 1.6 mm

blo matchinp 1 99
sub er=4 J h=0.8 mm TD=0.003 J S=5e7 S/M T=30 mim
*itrl 1 2 Z=5.00E+0001 ohm L=l1 F=1.2 GHz
mistr 1 2 w=wm l=7.77 mm
*ostub 2 99 Z=5.00E+0001 ohm L=lpah1 F=1.2 GHz
mte4 2 99 3
mistr 3 4 w=wm l=20.75 mm
mopen 4 w=wm
end

Vlivem diskontinuit dojde ke zmene elektricke delky pahylu, proto budeme pravdepodobne muset optimalizovat jeho delku.

Stejne nalozime i s vystupnim prizpusobovacim obvodem.

Tim bude navrh obvodu s rozprostrenymi parametry ukoncen.


Obvod se soutredenymia parametry

Tranzistor je nyni prizpusoben na obou branach. Muzeme toho vyuzit tak, ze prizpusobovaci obvod z jedne brany odpojime, zjistime koeficient odrazu tranzistoru, prizpusobime (obvod vygeneruje automaticky program SD, ktery lze spustit z menu Calc), pak pokracujeme stejnym postupem na druhe brane. Pri tomto postupu jde o navrh bez nutnosti optimalizace.
Tady priklad zatim konci.
Posledni revize textu 26. 1.1999. Stranka byla vytvorena Zbynkem Skvorem