RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2)

Transkriptio

1 SÄHKÖ- JA TIETOTEKNIIKAN OSASTO Radiotekniikka I RADIOTEKNIIKKA 1 HARJOITUSTYÖ S-2009 (VERSIO2) Työn tekijät Katja Vitikka Hyväksytty / 2009 Arvosana

2 Vitikka K. (2009) Oulun yliopisto, sähkö- ja tietotekniikan osasto. Radiotekniikka I, harjoitustyö. 2

3 TIIVISTELMÄ Harjoitustyössä oli tehtävänä suunnitella pienikohinainen esivahvistin ghz:n taajuusalueelle. Suunnitteluun käytettiin Agilent Technologiesin Advanced Design System simulointiohjelmistoa. Työssä biasoitiin vahvistin annettuun toimintapisteeseen, tutkittiin transistorin kohinaa ja stabiilisuutta. Sovitimme transistorin minimikohinaan niin, että spesifikaatiot täyttyivät. Sovitus tehtiin simulointiohjelmiston lisäksi myös käsin laskemalla ja piirtämällä Smithin kartalle.

4 4

5 SISÄLLYSLUETTELO SISÄLLYSLUETTELO Tiivistelmä... 3 Sisällysluettelo JOHDANTO TEORIA SUUNNITTELUPROSEDUURI Transistorin biasointi Kahden transistorimallin vertailu Epälineaarisen transistorimallin biasointi S-parametrimallin mukaiseen toimintapisteeseen S-parametrimallin kohina-analyysi Transistorin S-parametrimallin stabiilisuus Transistorin sovittaminen minimikohinaan Tulon sovitus Lähdön sovitus Tulon ja lähdön sovitus Smithin kartalle käsin piirrettynä Suunnitellun vahvistimen simulointi yhteenveto lähteet Liitteet...28

6 6 1.JOHDANTO Tehtävänä oli suunnitella ja simuloida pienikohinainen esivahvistin 1,3-1,4GHz:n taajuusalueelle Agilent Technologies:n Advanced Design System simulointiohjelmistolla (ADS). Transistorina käytettiin epälineaarista mallia pb_hp_at41511_ sekä S-parametrimallia sp_hp_at _5_ Suunnittelussa pyrittiin sovittamaan transistori minimikohinaan taajuusalueella 1,3 1,4GHz siten, että maksimivahvistuksesta joudutaan tinkimään mahdollisimman vähän. Transistorilla AT tulee pyrkiä toimintapisteessä VCE = 5 V, ICE = 5 ma seuraaviin suoritusarvoihin taajuusalueella 1,3 1,4GHz: Kohinaluku NF: pienempi tai yhtäsuuri kuin 1,42 db Vahvistus S(2,1) : suurempi tai yhtäsuuri kuin 11,9 db

7 2.TEORIA Stabiilisuusehto R.Vuohtoniemen prujusta: jos kaikilla mahdollisilla passiivisten kuormien heijastuskertoimilla S ja L tulon ja lähdön heijastuskertoimien itseisarvot IN ja OUT < 1, vahvistin on ehdottoman stabiili. Muussa tapauksessa vahvistin on potentiaalisesti epästabiili ja voi värähdellä joillakin S:n ja L:n arvoilla. Eli unilateeraaliselle vahvistimelle : s11 <1 ja s22 <1 Ja kaksipuoliselle vahvistimelle puolestaan stabiilisuusehto on: ja Toinen tapa miten voidaan määritellä onko transistori stabiili, jos K>1 JA <1 TAI että pelkästään µ>1. ja TAI Työssä käytettävä vahvistin on kuvan 1 mallia: Kuva 1. Vahvistin jossa näkyvät myös merkinnät joita käytetään vahvistimen heijastuskertoimille

8 8 3. SUUNNITTELUPROSEDUURI 3.1 Transistorin biasointi Transistorin biasoinnissa tutkittiin kuinka suuri kanta-emitterijännite (VBE) ja kantavirta (IBB) täytyy olla, jotta epälineaarinen transistorimalli olisi biasoitu S-parametrimallin mukaiseen toimintapisteeseen (ICE = 5 ma, VCE = 5 V). Apuna voitiin käyttää skemaa BiasSetup.dsn (Kuva2) ja dataikkunaa BiasSetup.dds (kuva3). Se kantavirran arvo jolla biasehto toteutui. otettiin viimeiseksi arvoksi. Biasvirran arvo on esitetty dataikkunassa muuttujalla VCC.i, sen etumerkki on negatiivinen johtuen virran suunnan määrittelystä.huomattiin, että kantavirralla 32.2uA saavutetaan haluttu biasvirta ICE= 5.0 ma, tällöin kanta-emitterijännite on 767.6mV. Kuva2.Biasointipiiri

9 Kuva 3. Biaspiirin arvot 3.2 Kahden transistorimallin vertailu Tehtävänä oli verrata transistorin kahta eri mallia (epälineaarinen malli vs. S-parametrimalli) toisiinsa skemapohjassa ModelVerif.dsn (kuva 4). Kannan jännitteeksi asetettiin edellisessä simuloinnissa saama VBE:n arvo. Tehtävänä oli tarkastella kuinka paljon mallien S-parametrit poikkeavat toisistaan. Simulaation tulokset näkyvät kuvassa 5. Kuvassa 6 näkyy tulokset halutulla taajuusalueella. Kuvasta 5 huomataan, että S-parametrit ovat lähes samanlaiset kummallakin transistorilla. Kuva 4. Transistorimallien vertailu

10 Kuva 5. Transistorin S-parametrimalli sekä epälineaarisen transistorin S-parametrit. Sininen käyrä on epälineaarinen malli ja punainen on lineaarinen. 10

11 Kuva6. Transistorin S-parametrimalli sekä epälineaarisen transistorin S-parametrit halutulla taajuusalueella 1.3GHz 1.4GHz. Sininen käyrä on epälineaarinen malli ja punainen on lineaarinen. 3.3 Epälineaarisen transistorimallin biasointi S-parametrimallin mukaiseen toimintapisteeseen Tehtävänä oli biasoida epälineaarinen transistorimalli S-parametrimallin mukaiseen toimintapisteeseen (VCE = 5 V, ICE = 5 ma). Käyttöjännitteeksi asetettiin Vdc= 6 V. Apuna käytettiin skemaa Bias_Network.dsn (kuva7) ja vastaavaa dataikkunaa (kuva 8). Optimoiduiksi vastusarvoiksi saatiin kollektrorivastus: RC1= 176Ω, kantavastus RB2=994 Ω ja toinen kantavastus RB1= 6.5k Ω.

12 12 Kuva 7. Epälineaarisen transistorimallin biaspiiri Kuva 8. Biaspiirin vastusten arvot

13 3.4 S-parametrimallin kohina-analyysi Tehtävänä oli simuloida ja esittää Smithin kartalla transistorin S-parametrimallin vakiokohinaympyrät, heijastuskertoimet S11 ja S22 sekä minimikohinaluvun antava heijastuskerroin Sopt. Myös vahvistus S21 [db], minimikohinaluku NFmin [db] ja efektiivinen kohinaresistanssi Rn tuli esittää. Apuna käytettiin skemaa SparamsNoise.dsn (kuva 9) ja vastaavaa dataikkunaa (kuva 10) ja (Kuva 11) Kuva 9. Transistorin S-parametrimalli kohinaominaisuuksien tutkimista varten Kuva 10. Vakiokohinaympyrä 1.5dB, 2dB, 2.5dB, 3dB ja 3.5dB:n arvoilla. Ympyrät pienenevät selvästi kun taajuus kasvaa.

14 14 Kuva 11. Ylemmässä kuvassa näkyy Sopt:n arvo, S11, S22. Sopt:n arvoksi saadaan 0.243/79.80 taajuudella 1.35GHz. Alemmassa kuvassa vahvistus, minimikohina ja efektiivinen kohinaresistanssi taajuuden funktiona. Kuvadta nähdään, että minimikohinaluku kasvaa jyrkästi 1GHz:n jälkeen ja samalla vahvistus laskee. 3.5 Transistorin S-parametrimallin stabiilisuus Tehtävänä oli tutkia transistorin S-parametrimallin stabiilisuus ja stabiloida se tarvittaessa niin, että vahvistin on stabiili koko tarkasteltavalla taajuusalueella (u>1). Apuna käytettiin skemaa Stability.dsn (kuva 12) ja dataikkunaa Stability.dds. Tutkittiin kuinka paljon mahdollinen

15 stabilointi vaikuttaa minimikohinalukuun ja vahvistukseen. Dataikkunassa tuli esittää myös stabiilisuustekijät u, K ja B1 sekä tulon ja lähdön stabiilisuusympyrät. Kuvasta 13 nähdään u, K ja B1:n arvot, Mu-käyrä taajuuden funktiona sekä stabiilisuusympyrä 1.35GHZ:n taajudella ennen stabilisointipiirin käyttöönottoa. Kuva 12. Transistorin S-parametrimalli ja stabilointipiiri.

16 Kuva 13. Ennen stabilisointipiirin aktivointia. Kuvassa näkyy 1.35GHZ:n taajuudella Mu, K ja B1 arvot. Tuloksista huomataan. että piiri ei ole stabiili, sillä teoriaosuudessa määritetyt stabiilisuusehdot eivät täyty (K >1 ei täyty, µ>1 ei täyty.) 16

17 Kuva 14. Arvot stabilisointipiirin lisäämisen jälkeen sekä stabiilisuusympyrä ja Sopt:n arvot stabilisoinnin jälkeen. Kuvasta nähdään, että piiri on stabiili koko välillä GHZ:n.

18 18 Kuva 15. Alin käyrä on kohinaluku ilman stabilointia, keskimmäinen kelalla ja vastuksella suoritettu stabilointi ja ylin käyrä on kohinaluku kun stabilointi pelkällä vastuksella. 3.6 Transistorin sovittaminen minimikohinaan Tulon sovitus Tehtävänä oli sovittaa transistori minimikohinaan siten, että spesifikaatiot täyttyvät. Apuna käytettiin esimerkkiprojektin skemoja Match1 (kuva 16) ja Match2 (kuva 17) ja dataikkunaa InputMatch.dds (Kuva18). Sopt:n arvo saadaan kuvasta 14 taajuudella 1.35GHz Sopt= 0.242/ Sopt:in voidaan syöttää suoraan polaarisena arvona muodossa polar(pituus,kulma). Kondensaattorin arvoksi saatiin 5.3pF ja kelan 7.4nH.

19 Kuva 16. Induktanssin arvon määritykseen käytettävä piiri (Match1) Kuva 17. Kapasitanssin arvon määritykseen käytettävä piiri (Match2)

20 20 Kuva 18. Tulon sovitus Smithin kartalla Lähdön sovitus Lähdön sovittamiseen käytettiin esimerkkiprojektin skemoja Match3 (Kuva 19) ja Match 4 (Kuva20). Kelan induktanssin arvolla 8.9nH päästiin origoon johtavalle impedanssikäyrälle ja kondensaattorin kapasitanssin arvoksi saatiin 2.39pF.

21 Kuva 19. Lähdön induktanssin arvon määritykseen käytettävä piiri (Match3) Kuva 20. Lähdön kapasitanssin arvon määritykseen käytettävä piiri (Match4)

22 22 Kuva 21. Lähdön sovitus Smithin kartalla Tulo (liite1): Tulon ja lähdön sovitus Smithin kartalle käsin piirrettynä Koska halutaan pienin mahdollinen kohinakerroin, Γ* s =Γ* opt =0.242/ Otetaan Γ s :stä kompleksikonjugaatti, koska lähdetään sovittamaan kohti kartan keskipistettä. Lasketaan pisteen P1 (0.242/ ) paikka: 0.242* kartan säde (=8cm) saadaan 2cm. Eli piste P1 on 2cm:n päässä keskipisteestä. Tämän jälkeen siirrytään admittanssitasossa pisteestä P1 pisteeseen P2. Piste P1: j siirrytään pisteeseen P2: Piste P2: j ZP2= j Suskeptanssin muutos on nyt =-0.65j Tämä vastaa rinnankelaa, jonka arvo on: Pisteestä P2 siirrytään pisteeseen P1 vakioresistanssikäyrää pitkin. Reaktanssin muutos on j. Tämä vastaa sarjakondensaattoria, jonka arvo on:

23 Lähtö(liite2): Maksimoidaan vahvistus, joten sovitetaan lähtö konjugaattisesti. Silloin vahvistimen vahvistimelta ulospäin näkyvän heijastuskertoimen Γ out tulee olla: Γ* s =Γ* opt =0.242/ Heijastuskertoimet saadaan allaolevasta taulukosta joka on tehty Stability piiriä avuksi käyttäen: Γ out = j = 0.5/-43.4 Tämä on piste P1 Smithin kartalla (liite 2). Siirrytään admittanssitasossa pisteestä P1 pisteeseen P2. Piste P1: Y P1 = j Piste P2: Y P2 = j ZP2=1+0.9j Suskeptanssin muutos on -0,5j-0,95j=-1.45 Tämä vastaa rinnankelaa, jonka arvo on: Pisteestä P2 siirrytään keskipisteeseen P3 vakioresistanssikäyrää pitkin. Reaktanssin muutos on 0,9j. Tämä vastaa sarjakondensaattoria, jonka arvo on: Simuloidut arvot olivat tulolle: C=5.3pF ja L=7.4nH sekä lähdölle: C= 2.3pF ja L= 8.9nH. Lopputuloksena saadaan, että lasketut arvot heittävät hieman simuloiduista, mutta arvojen heitto voidaan selittää mittaus- sekä lukuvirheillä. 3.7 Suunnitellun vahvistimen simulointi Osion tehtävänä oli simuloida lopullinen vahvistin käyttäen apuna esimerkkiprojektin skemaa FinishedAmp.dsn (Kuva 22). Simuloinnin tuloksena esitettiin vahvistimen saavutettu kohinaluku, vahvistus sekä heijastuskertoimet S11 ja S22 taajuuden funktiona.

24 Kuva 22. Lopullisen vahvistimen piiri 24

25 Kuva 23. Heijastuskertoimet S22, S11 ja vahvistus S21 taajuuden funktiona sekä Kohinaluku NF taajuuden funktiona. Vahvistimelle asetetut ehdot täyttyvät.

26 4.yhteenveto Harjoitustyön tavoitteena oli suunnitella ja simuloida pienikohinainen vahvistin käyttäen Agilent Technologiesin Advanced Design System(ADS) simulointiohjelmistoa. Vahvistimelle oli määrätty suurin kohinaluku sekä pienin mahdollinen vahvistus. Työ oli opettavainen, mutta haastava. Työssä välillä turhautti, kun joutui taistelemaan ohjelman toimivuuden kanssa, mutta loppujen lopuksi työ opetti paljon. Käsinsovituksen kanssa jouduin myös painimaan paljon. 26

27 [1] R. Vuohtoniemi, Radiotekniikka 1 5.lähteet

28 Liite1 Liite 2 6.Liitteet Tulon sovitus käsin piirrettynä Smithin kartalle Lähdön sovitus käsin piirrettynä Smithin kartalle 28