RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000. Yleistä

RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000 1. Luento 13.1.010 Kurssin sisältö ja tavoitteet, kertausta DI Juho Tyster Yleistä Luentoja 4h, lasku- ja mikroluokkaharjoituksia 8h 6 opintopistettä Luennot keskiviikkoisin 9-1 salissa 7334 Kurssipalautteesta 1 lisäpiste vuoden 010 tentteihin Tuntitehtäviä...? 1

3. periodissa perinteiset laskuharkat (7 kertaa), 4. periodissa AD-mikroharkat (7 kertaa) Mikroharkoissa tehdään ohjatusti harjoitustyötä, tutustutaan ADohjelmistoon Lisenssejä N kappaletta, paikkana tod. näk. Cosini tai muu vastaava lainaluokka Harjoitustyö Kurssin harjoitustyönä on mikroaaltoalueen signaalivahvistimen suunnittelu ADohjelmistolla Työstä palautetaan raportti

Materiaalit Harjoituksissa jaetaan tehtävälaput, luentomateriaali ja harkkalaput tulevat Noppaan (aikanaan). Kurssikirja: David M. Pozar: Microwave engineering, 3rd ed. IBN 0-471-64451-X, John Wiley & ons, Inc. Vankka perusteos, kirjastossa joitakin kappaleita Vahvistinsuunnitteluun painottunut teos: G. Gonzalez: Microwave Transistor Amplifiers, Analysis and Design, nd ed. IBN 0-13-54335-4. Prentice Hall. Oheislukemista R. Ludwig, P. Bretchko: RF Circuit design, theory and applications, IBN 0-13-09533-7 Lisäksi jaetaan tarpeen mukaan tietopaketteja luennoilla, harkoissa... 3

Kurssin sisältö pääpiirteittäin Kertausta RF-tekniikan perusteista iirtolinjateoria mithin kartta -parametrit ovitukset Varsinaiset tämän kurssin asiat RF-transistori Vahvistuskäsitteet uorituskyvyn tunnusluvut: Kohina, dynaaminen alue, särö (THD, IM, PIM...) RF- ja mikroaaltoalueen vahvistinsuunnittelun perusperiaatteet ja työkalut tabiiliuskysymykset Pienikohinaisen vahvistimen (LNA) suunnittelun erikoisuudet Transistorin toimintakuntoon laitto eli BIAOINTI, biasointikytkennät. Aktiivinen biasointi virtapeilillä. Tehonsyöttö, ohitukset (konkat, kelat, neljännesaaltokuristimet) Passiiviset komponentit (ja piirilevy) 4

Boonusta (pintaraapaisuna) Mikroaaltoalueen diodit Oskillaattorit, VCO, taajuussynteesi Taajuuskertojat Mikseripiirit (esimerkkinä AM-radio) TEHOVAHVITIMET Tehotransistorit Putkipääterakenteet suuritehoisissa radio- ja tutkasovelluksissa Pääpaino ja tavoite Tavoitteena kyetä pienitehoisen mikroaaltoalueen transistorivahvistinasteen suunnitteluun ADohjelmiston avulla Keskeiset mitoitusvaiheet tehdään myös käsin (kartta) Tentti pohjautuu harjoituksiin ja luennoilla käytyihin asioihin 5

1. Luennon sisältö Kertaus iirtolinjateoria mithin kartta -parametrit ovitukset ij V i + V + j k V 0 kaikille k j iirtolinjateoria RF- ja mikroaaltoalueella kytkennän mittasuhteet huomattava murto-osa aallonpituudesta ähköinen koko Pienillä taajuuksilla piiriteoria on kohtalainen approksimaatio Likimain λ/16 -rajasta eteenpäin aletaan soveltaa siirtolinjateoriaa 6

ähkömagneettinen aalto Jännite ja virta ovat sähkömagneettisen aallon ilmenemismuotoja siirtotiellä iirtotienä voi olla eriste, aaltojohdin, aaltoputki Radioaallot vapaassa avaruudessa Aaltoputket esim. tutkalaitteissa, mikroaaltouunissa Koaksiaalikaapeli, parijohdin, mikroliuska Aaltojohto Rajoitutaan tarkastelemaan TEM-aaltoa (Transversal electric, transversal magnetic), aalto joka kykenee etenemään kaksijohtimisilla siirtoteillä Aaltojohtodifferentiaali ohuen ohut siivu i(z,t) i(z + z, t) L z R z v(z, t) G z C z v(z + z, t) z 7

i(z,t) i(z + z, t) L z R z G z C z v(z, t) v(z + z, t) z R johtimen sarjaresistanssi. Johdinmateriaalin ominaisuus. [Ω/m] L pitkittäinen induktanssi. Lähinnä aaltojohdon poikkileikkauksen mitoista riippuva. [H/m] G väliaineen (eristeen) konduktanssi. Eristehäviö, riippuu materiaalista. [/m] C kapasitanssi. Poikkileikkauksen mitoista ja väliaineen ε :stä riippuva. [F/m] i(z,t) i(z + z, t) L z R z G z C z v(z, t) v(z + z, t) z Häviöitä. Eriste ja johdinmetalli määräävä tekijä R johtimen sarjaresistanssi. Johdinmateriaalin ominaisuus. [Ω/m] L pitkittäinen induktanssi. Lähinnä aaltojohdon poikkileikkauksen mitoista riippuva. [H/m] G väliaineen (eristeen) konduktanssi. Eristehäviö, riippuu materiaalista. [/m] C kapasitanssi. Poikkileikkauksen mitoista ja väliaineen ε :stä riippuva. [F/m] 8

i(z,t) i(z + z, t) L z R z G z C z v(z, t) v(z + z, t) z Poikkileikkauksen mitat, eristeen ε r vaikuttaa C:hen (µ vaikuttaisi induktanssiin, mutta µ on usein eristemateriaaleilla sama kuin tyhjiöllä) R johtimen sarjaresistanssi. Johdinmateriaalin ominaisuus. [Ω/m] L pitkittäinen induktanssi. Lähinnä aaltojohdon poikkileikkauksen mitoista riippuva. [H/m] G väliaineen (eristeen) konduktanssi. Eristehäviö, riippuu materiaalista. [/m] C kapasitanssi. Poikkileikkauksen mitoista ja väliaineen ε :stä riippuva. [F/m] Aalto kulkee siis eristeessä, ei johtimissa. ähkökenttä. Virta esiintyy johtimissa, aallon magneettikentän komponentti. Aallon kulma muuttuu ajan ja paikan suhteen M-aalto ei ole vakio johtimen eri kohdissa samalla ajanhetkellä, eikä eri ajanhetkinä samalla kohdalla (aallon etenemissuunnassa), toistuen toki aallonpituuden välein (360º) 9

Aaltoyhtälöt sinimuotoisille aalloille Etenemiskerroin γ V ( z) V I ( z) I + 0 + 0 e e γz γz + V + I e e γz 0 γz 0 γ α+ jβ ( R+ jωl)( G+ jωc) Vaimenemisvakio α edustaa häviötä (R ja G), etenemisvakio β aallon kulkua johdossa (L ja C) Johtimen ominaisimpedanssi Z 0 R+ G+ jωl jωc V I + 0 + 0 Z 0 V I 0 0 V Z V Z + 0 I( z) γ z 0 e γ z e 0 0 10

Aallonpituus λ Aallon etenemisnopeus π β vp ω λ f β Häviötön siirtolinja R ja G ottavat huomioon johdinmateriaalin resistiivisen häviön ja eristeen häviön Etenemiskertoimen reaaliosa α Usein voidaan R ja G olettaa merkityksettömiksi aadaan häviötön siirtolinja, jossa Z 0 L C γ jβ ( α 0) β ω LC Miksi tyhjiön (tai ilman, likimain) ominaisimpedanssi on 377 Ω? 11

Käsittelemme kurssilla siirtolinjoja poikkeuksetta häviöttöminä, ellei toisin mainita AD-osiossa palaamme piirilevymateriaalien häviöiden vaikutuksiin mikroliuskajohtimen mitoituksessa Impedanssiin päätetty siirtolinja +z Z in Z 0, β Γ L Z L Γ in l z l 0 1

Heijastuskerroin on rajapinnasta palavaan ja rajapintaa kohti edenneen jänniteaallon välinen suhde Rajapinnan impedanssien avulla lausuttuna V Γ + V Z Z Z + Z 0 Γ e 0 L 0 jθ 0 L heijastunut aalto syötetty aalto Mikäli tarkastellaan heijastuskerrointa jonkin mielivaltaisen etäisyyden l päästä rajapinnasta, on kohdassa z l näkyvä heijastuskerroin jβ l V e Γ Γ jβ l V e 0 ( l) ( ) + 0 ( ) jβ l 0 e, kun ΓΓ 0 kohdassa z 0 13

Mikäli tarkastellaan heijastuskerrointa jonkin mielivaltaisen etäisyyden l päästä rajapinnasta, on kohdassa z l näkyvä heijastuskerroin jβ l V e Γ Γ jβ l V e 0 ( l) ( ) + 0 ( ) jβ l 0 e, kun ΓΓ 0 kohdassa z 0 Tärkeä kakkonen, näkyy mithin kartalla... mithin kartta Graafinen apuväline, jolla siirtolinjoja, heijastuskertoimia ja passiivikomponentteja voidaan käsitellä ilman laskinta Kompleksilukulaskin, joka osaa hyvin laskutoimituksen zl 1 Γ Γ z + 1 L e jθ z Z L L normalisointi Z0 14

Vakioreaktanssikaaret: resistanssi muuttuu Vakioresistanssikaaret: reaktanssi muuttuu Apuasteikot helpottavat elämää 15

mithin karttaa käytetään AINA normalisoiduilla impedanssi- ja admittanssisuureilla Kartta toimii sekä impedansseilla että admittansseilla, käyttäjä itse on vastuussa siitä, miten kartalla liikkuu Ei saa mennä sekaisin. Jos olet juuri laittanut kartalle impedanssipisteen, on myös seuraava piste impedanssipiste. Toimintatilaa muutettiin peilaamalla piste kartan keskustan kautta 180º z in 16

y in y 1 z Pyörimissuunnat, apuasteikot Pyörimissuunta yleensä kohti generaattoria Apuasteikot, sekaannuksen vaara Kulmat, etäisyydet (nekin ovat kulmia) jne. suureet luetaan kuten kulma luetaan. Reaktanssit ja suskeptanssit luetaan vastaavien kaarien apuasteikoilta. 17

z in z 18

x C z in y in 19

y in b L -parametrit -parametreilla eli sirontaparametreilla kuvataan mikroaaltopiirin porttien aaltokulkuominaisuuksia -parametrit muodostavat matriisin, jonka avulla jokaisen portin heijastunut ja etenevä aalto kuvataan Parametreja tulkitaan porttiparina (esimerkiksi 1 ) Piiriä itseään käsitellään mustana laatikkona 0

ij V i + V + j k V 0 kaikille k j + V 1 11 1 13 V 1 V 1 + 3 V + V 3 31 3 33 V 3 V + 1 [] V 3 V V + 1 3 V V + Tarve sirontaparametreille Mikroaaltotaajuuksilla voi olla vaikeaa saada aikaiseksi hyvin käyttäytyvä oikosulku/avoin pää Jos piiri määriteltäisiin impedanssimatriisin avulla, olisi tulos epätarkka ei välttämättä edes mahdollista mitata uorittamalla mittaus ominaisimpedanssiin päätettynä, voidaan saada tarkkoja tuloksia 1

irontaparametrit ilmoitetaan taajuuden funktiona Parametrit ovat aina taajuuskohtaisia Mittaus suoritetaan piiristä vektoripiirianalysaattorilla (VNA) VNA tekee esimerkiksi piirin porttiin 1 taajuuspyyhkäisyn, ja mittaa portin 1 heijastuneen aallon ja portista saapuvan aallon. en jälkeen sama suoritetaan portista. Vahvistinsuunnittelussa transistorien - parametrit ovat oleellisin suunnitteluperuste transistorin toimintapiste vaikuttaa myös voimakkaasti parametreihin

ovituspiirit Z G Γ OUT Γ Z 0, β V G Z in Γ L Z L Γ in l Peruskurssilla käsiteltiin yleensä tilanteita, joissa generaattori oli sovitettu siirtolinjaan Z G Z 0 Mikroaaltovahvistimissa ja monissa muissa piireissä tämä ei kuitenkaan ole mahdollista, esimerkiksi transistorin tuloimpedanssi ei täsmää siirtolinjan kanssa Vahvistinkytkennöissä kaksiportin molemmissa päissä voi olla sovitustarve 3

ovitteet... Impedanssiepäjatkuvuuskohtaan tehdään sovituspiiri L-sovite keloista ja kondensaattoreista koostuva kytkentä, joka muodostaa halutun impedanssin muutoksen tubisovite suuremmille taajuuksille soveltuva, siirtolinjan pätkistä koostuva impedanssimuunnos Hyvä sovite on häviötön ja joskus esiintyy kaistanleveysvaatimuksia ovituksien suunnittelu mikroaaltotransistorin -parametrien ehdoilla on keskeisin osa vahvistimen suunnittelua Jos osaat sovittaa, osaat tehdä vahvistimen Peruskurssin pääpaino oli L-sovitteissa Tällä kurssilla pyrimme opettelemaan stubisovitusten perusteet (kelat ja konkat korvataan siirtolinjan pätkillä) mithin kartta tulee olemaan tärkeä työkalu 4

Kurssin asiat Varsinaiset tämän kurssin asiat RF-transistori Vahvistuskäsitteet uorituskyvyn tunnusluvut: Kohina, dynaaminen alue, särö (THD, IM, PIM...) RF- ja mikroaaltoalueen vahvistinsuunnittelun perusperiaatteet ja työkalut tabiiliuskysymykset Pienikohinaisen vahvistimen (LNA) suunnittelun erikoisuudet Transistorin toimintakuntoon laitto eli BIAOINTI, biasointikytkennät. Aktiivinen biasointi virtapeilillä. Tehonsyöttö, ohitukset (konkat, kelat, neljännesaaltokuristimet) Passiiviset komponentit (ja piirilevy) Boonusta Mikroaaltoalueen diodit Oskillaattorit, VCO, taajuussynteesi Taajuuskertojat Mikseripiirit (esimerkkinä AM-radio) TEHOVAHVITIMET Tehotransistorit Putkipääterakenteet suuritehoisissa radio- ja tutkasovelluksissa 5

Vahvistimien suunnittelu yleisesti Transistorilla toteutettava vahvistus on yleinen toimenpide mikroaaltoalueen laitteissa Tehoalue transistoreilla watin osista kilowattiluokkaan uuremmat tehot radio-, televisio- ja tutkasovelluksissa toteutetaan edelleen pääteasteputkilla (klystronit, tetrodit, TWT) Kännykkä sisältää mikroaaltoalueen tehovahvistimen, joka on toteutettu transistorilla RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000. Luento 0.1.010 ovitukset, RF-transistorit DI Juho Tyster 6

Luennon sisältö ovitusten tekeminen siirtolinjan pätkillä (stubisovitus) vs. L-sovite ovituksen kaistanleveys Neljännesaaltokuristin Yleinen kaksiporttimalli Vahvistuskäsitteet RF-transistorit ja niiden ominaisuudet tabiilius 7

tubisovitus Kuorman impendanssi voidaan muuntaa halutuksi myös stubisovituksen avulla Kelat ja kondensaattorit korvataan siirtolinjan pätkillä Käytössä ovat oikosuljettu ja avoin stubi Z L 8

tubin etäisyys kuormasta d Z in Z 0 tubin pituus Z in Z 0 l avoin 9

tubin pituus Z in Z 0 l oikosuljettu 30

z in z in 31

z d y d 3

y in l tubisovite on suurilla taajuuksilla L-sovitetta parempi vaihtoehto Keskitetyt komponentit L ja C vaikea toteuttaa taajuuden kasvaessa (epäideaalisuudet) iirtolinja on usein mikroaaltokomponenteista ideaalisin... Ongelmia voi syntyä stubin päätteessä (avoin, oikosulku), riippuu siirtolinjan rakenteesta, taajuudesta 33

ekä L- että stubisovite ovat sellaisenaan hyvin kapeakaistaisia Usein voidaan sama sovitustehtävä ratkaista kahdella sovitteella, joista toinen on toista laajakaistaisempi Γ ovite 1 ovite f match f Neljännesaaltokuristin iirtolinjan pätkistä voidaan rakentaa siis induktansseja ja kapasitansseja tietylle pistetaajuudelle Taajuuden muuttuessa myös reaktanssi muuttuu Neljännesaallon (l λ/4) mittainen oikosulkuun päätetty siirtolinja näyttää toisesta päästä avoimelta (mitoitustaajuudella) Tällä voidaan korvata esim. kuristimia vahvistinkytkennöissä 34

Neljännesaaltokuristin... Usein käytetään suoran Z 0, λ/4 kuristimen vielä niin kutsuttua radiaalistubia, tai ainakin normaalia Z 0 :aa leveämpää stubia Tarkoitus on parantaa kaistanleveyttä, hyvin yleinen mikroaaltopiireissä Z Z 0 radiaalistubi RF- ja mikroaaltovahvistimien perusteet Vahvistuskäsitteet RF-transistori RF- ja mikroaaltoalueen vahvistinsuunnittelun perusperiaatteet ja työkalut Transistorin toimintakuntoon laitto eli BIAOINTI, biasointikytkennät. Aktiivinen biasointi virtapeilillä. Tehonsyöttö, ohitukset (konkat, kelat, neljännesaaltokuristimet) tabiiliuskysymykset 35

Vahvistimien suunnittelu yleisesti Transistorilla toteutettava vahvistus on yleinen toimenpide mikroaaltoalueen laitteissa Tehoalue transistoreilla watin osista kilowattiluokkaan uuremmat tehot radio-, televisio- ja tutkasovelluksissa toteutetaan edelleen pääteasteputkilla (klystronit, tetrodit, TWT) Kännykkä sisältää mikroaaltoalueen tehovahvistimen, joka on toteutettu transistorilla Z G, Z V G, V V 1 + V + 1 V 1 V [] V + Γ in Γ Γ L Γ out + V Z L ij V i + V + j k V 0 kaikille k j V V V + 1 11 1 1 1 + V 36

P avs P in P avn P L [] G G P P L / P in G A P avn / P avs G T P L / P avs Tehovahvistus Yltötehovahvistus (konj. sov.) iirtotehovahvistus Vahvistuskäsitteet Mikäli sekä tulo että lähtö on konjugaattisesti sovitettu (suurin mahdollinen vahvistus), saadaan G G A G T 37

Vahvistuslausekkeet Γ Γ IN OUT 11 1 + 1 1 1 + 1 Γ Γ 1 11 L L Γ Γ Vahvistuslausekkeisiin palataan vielä monta kertaa... RF-transistorit Transistoria käytetään yleisesti erilaisissa tehtävissä RF- ja mikroaaltokytkennöissä Vahvistimena ekoittimena Oskillaattorina jne... 38

BJT:t, FET:it jne... Jako kahteen pääryhmään: Liitostransistorit BJT (bipolar junction transistor) HBT (heterojunction bipolar transistor) Kanavatransistorit (FET) MEFET (metal semiconductor FET) HEMT (high electron mobility transistor) PHEMT (pseudo-morphic HEMT) MOFET (metal oxide semicond. FET) MIFET (metal insulator semicond. FET) Materiaalit Pii on perinteinen Halpaa, pienehköille taajuuksille Galliumarsenidi GaAs uurempi taajuus, johtuen suuremmasta varauksenkuljettajien liikkumiskyvystä Hyvät kohinaominaisuudet Indiumfosfidi InP Vielä nopeampi materiaali kuin GaAs 39

Lähde: David M. Pozar: Microwave engineering, 3rd ed. IBN 0-471-64451-X, John Wiley & ons, Inc. s. 5 Liitostransistorit (BJT, HBT) Yleisesti npn, käytössä n. alle -4 GHz taajuuksilla johtuen suuremmasta vahvistuksesta tällä alueella, huokeammasta hinnasta Kohisevat enemmän kuin FETit 40

Kanavatransistorit Käyttökelpoinen taajuusalue ulottuu 100 GHz:iin Pienikohinaisia, yleensä pienin kohina saavutetaan toimintapisteen I D 15 % I D ympäristössä Käyttö suuremmalla teholla (suurempi I D lepopiste) kasvattaa kohinaa Biasointi Transistorit biasoidaan johonkin sopivaan toimintapisteeseen, jossa saadaan halutut vahvistusominaisuudet Biasointi saa aikaan lepotilan virran ja jännitteen transistoriin Biasointilähde on erotettava RF-signaaleista esim. neljännesaaltokuristimien tai tavanomaisten kuristimien avulla Biasointi voidaan toteuttaa vastuksilla, vakiovirtalähteellä tms. transistorin ulkoisella apupiirillä Noudattelee kuristimia lukuun ottamatta jo opittuja biasointiperiaatteita Emitteri- tai lähdevastuksia/kondensaattoreita EI käytetä! 41

Vahvistinsuunnittelu Vahvistimen suunnittelu pohjautuu joko - parametreihin tai sijaiskytkentään (simulaatiomalli) -parametrit Yksinkertainen menetelmä -parametrit ovat taajuuden funktio. Parametrit täytyy määritellä koko laitteen oletetulla taajuuskaistalla (stabiilisuus...). imulaatiomalli (sijaiskytkentäpohjainen) Piirisimulaattorin tuoma nykyaikainen mahdollisuus Pohjautuu transistorin sisäisiin parametreihin, mekaniikkaan, puolijohdefysiikkaan Voivat tuottaa varsin poikkeavia tuloksia mitatuista arvoista, mikäli parametrit ovat pielessä tabiiliuskysymys G G 0 [] G L Γ in Γ Γ L Γ out Mahdollisuus värähtelyyn mikäli tulo- tai lähtöimpedanssin reaaliosa on negatiivinen (negatiivinen resistanssi) Γin > 1 tai Γout > 1 4

Tulo- ja lähtöimpedanssit riippuvat sovituspiireistä -parametrien lisäksi Γ Γ IN OUT 11 1 + 1 1 1 + 1 Γ Γ 1 11 L L Γ Γ Ehdottoman stabiili tapaus: Kytkennän Γ in < 1 ja Γ out < 1 kaikille passiivisille lähde- ja kuormaimpedansseille Mahdollisesti epästabiili tapaus: Kytkennän Γ in < 1 ja Γ out < 1 vain tietylle lähde- ja kuormaimpedanssialueelle tabiilius on tarkastettava kaikilla taajuuksilla, ei vain mitoitustaajuudella 43

Kriteerejä K- testi Ehdottoman stabiili, mikäli K > 1 ja < 1 1 K 11 µ-testi Ehdottoman stabiili, mikäli µ > 1 11 1 1 1 + 1 µ 1 11 * 11 + 1 1 Yksiasteisen transistorivahvistimen suunnittelu Kun transistorin stabiilius on varmistettu ja stabiilit alueet määritelty mithin kartalta, voidaan suunnitella tulon ja lähdön sovitukset G 0 riippuu käytettävästä transistorista. G T voidaan säätää kohdalleen tulon ja lähdön sovitusten vahvistuksilla G ja G L Maksimivahvistus saadaan, kun tulossa ja lähdössä konjugaattiset sovitukset 44

G G 0 [] 1 Γ 1G 11 L G Γ G T G G 0 G L G 1 Γ 1 Γ Γ in G 0 1 G L 1 ΓL 1 Γ L Unilat.: Γ in 11 Unilat.: Γ out Konjugaattinen sovitus, maksimivahvistus G G 0 [] G L Γ in Γ * Γ Γ L Γ out Γ out * Unilateraalisessa tapauksessa ( 1 0) G TU 1 1 1 11 1 1 45

Yhtäaikaiset konjugaattiset sovitukset (bilateraalinen) Γ Γ Ms ML B1 ± B ± B 1 C B 1 C 4C 1 4C B 1+ C C 1 1 11 11 B 1+ * * 11 11 1 1 ΓML 1 T, max 1 1 1 ΓMs 1 ΓML 1 ( K K ) GP,max GA, max G Yhtäaikaiset konjugaattiset sovitukset Γ Ms :n ja Γ ML :n yhtälöiden ratkaisu on mahdollista, mikäli neliöjuuren sisällä oleva lauseke positiivinen Voidaan osoittaa, että ehto toteutuu, kun K > 1 ehdottoman stabiilit transistorit voidaan aina suunnitella maksimivahvistukselle Mahdollisesti epästabiilit transistorin voidaan suunnitella maksimivahvistukselle, mikäli K > 1 ja < 1, (epästabiilin transistorin ) G T,max 46

RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000 3. Luento 7.1.010 Vahvistinsuunnittelun perusteet DI Juho Tyster Luennon sisältö Lisää asiaa stabiiliudesta Vahvistinsuunnittelun perusteet Maksimivahvistus Vahvistusympyrät Kohina 47

Vahvistinsuunnittelu Vahvistimen suunnittelu pohjautuu joko - parametreihin tai sijaiskytkentään (simulaatiomalli) -parametrit Yksinkertainen menetelmä -parametrit ovat taajuuden funktio. Parametrit täytyy määritellä koko laitteen oletetulla taajuuskaistalla (stabiilisuus...). imulaatiomalli (sijaiskytkentäpohjainen) Piirisimulaattorin tuoma nykyaikainen mahdollisuus Pohjautuu transistorin sisäisiin parametreihin, mekaniikkaan, puolijohdefysiikkaan Voivat tuottaa varsin poikkeavia tuloksia mitatuista arvoista, mikäli parametrit ovat pielessä tabiiliuskysymys G G 0 [] G L Γ in Γ Γ L Γ out Mahdollisuus värähtelyyn mikäli tulo- tai lähtöimpedanssin reaaliosa on negatiivinen (negatiivinen resistanssi) Γin > 1 tai Γout > 1 48

Tulo- ja lähtöimpedanssit riippuvat sovituspiireistä -parametrien lisäksi Γ Γ IN OUT 11 1 + 1 1 1 + 1 Γ Γ 1 11 L L Γ Γ Ehdottoman stabiili tapaus: Kytkennän Γ in < 1 ja Γ out < 1 kaikille passiivisille lähde- ja kuormaimpedansseille Mahdollisesti epästabiili tapaus: Kytkennän Γ in < 1 ja Γ out < 1 vain tietylle lähde- ja kuormaimpedanssialueelle tabiilius on tarkastettava kaikilla taajuuksilla, ei vain mitoitustaajuudella 49

Kriteerejä K- testi (Rollet) Ehdottoman stabiili, mikäli K > 1 ja < 1 11 1 + K 1 1 11 1 1 µ-testi Ehdottoman stabiili, mikäli µ > 1 µ 1 11 * 11 + 1 1 tabiiliusympyrät Mikäli K -testi tuottaa kielteisen tuloksen (K < 1, > 1), täytyy vahvistimen stabiilius tutkia stabiiliusympyröiden avulla tabiiliusympyrät esittävät ne alueet Γ :lle ja Γ L :lle, joissa vahvistin ei ole stabiili ovitusten heijastuskertoimia ei saa sijoittaa epästabiilille alueelle 50

Johtamalla lausekkeista 1 1 L Γ in 11+ < 1 ΓL 1 1 Γ out + < 1 11Γ saadaan sekä tuloon että lähtöön rajaavat ympyrät C * ( 11 ) 11 *, Γ Γ C 1, L 1 * ( 11) *, R 1 1 11 R L 1 1 C * ( 11 ) 11 *, Γ -taso R 11 1 1 51

C * ( 11 ) 11 *, Γ -taso R 11 1 1 Jos < 1, ympyrä rajaa sisäänsä epästabiilin alueen C * ( 11 ) 11 *, Γ -taso R 11 1 1 5

Γ vaikuttaa lähtöön, eli väärällä valinnalla lähtö värähtelee Γ L vaikuttaa tuloon, eli väärällä valinnalla tulo värähtelee tabiiliusympyrät rajoittavat vahvistimen suunnittelua maksimivahvistukselle Esimerkki Olkoon 0.894 60.6 0.00 6.4 3.1 13.6 0.781 7.6 määritellään transistorin stabiilius käyttäen K - testiä, ja piirretään mahdolliset stabiiliusympyrät 53

0.696 K 11 1 1 1 11 + 1 1 0.607 < 1, mahdollisesti epästabiili C L Lähtö * ( 11) * 1.361 47 RL 0.50 1 1 C Tulo * ( 11 ) * 1.13 68 11 R 0.199 1 1 11 Γ Γ L 54

Γ Γ L KIELLETTY ALUE Yksiasteisen transistorivahvistimen suunnittelu Kun transistorin stabiilius on varmistettu ja stabiilit alueet määritelty mithin kartalta, voidaan suunnitella tulon ja lähdön sovitukset G 0 riippuu käytettävästä transistorista. G T voidaan säätää kohdalleen tulon ja lähdön sovitusten vahvistuksilla G ja G L Maksimivahvistus saadaan, kun tulossa ja lähdössä konjugaattiset sovitukset 55

Z G, Z V G, V V 1 + V + 1 V 1 V [] V + Γ in Γ Γ L Γ out + V Z L ij V i + V + j k V 0 kaikille k j V V V + 1 11 1 1 1 + V P avs P in P avn P L [] G G P P L / P in G A P avn / P avs G T P L / P avs Tehovahvistus Yltötehovahvistus (konj. sov.) iirtotehovahvistus 56

Vahvistuskäsitteet Mikäli sekä tulo että lähtö on konjugaattisesti sovitettu (suurin mahdollinen vahvistus), saadaan G G A G T Vahvistuslausekkeet Γ Γ IN OUT 11 1 + 1 1 1 + 1 Γ Γ 1 11 L L Γ Γ Vahvistuslausekkeisiin palataan vielä monta kertaa... 57

G G 0 [] 1 Γ 1G 11 L G Γ G T G G 0 G L G 1 Γ 1 Γ Γ in G 0 1 G L 1 ΓL 1 Γ L Unilat.: Γ in 11 Unilat.: Γ out Konjugaattinen sovitus, maksimivahvistus G G 0 [] G L Γ in Γ * Γ Γ L Γ out Γ L * Unilateraalisessa tapauksessa ( 1 0) G TU 1 1 1 11 1 1 58

Maksimivahvistus bilateraalisessa tapauksessa Γ Γ Γ + Γ * 1 1 L IN 11 1 L Γ Γ Γ + Γ * 1 1 OUT L 1 11 Tulosovite riippuu kuorman heijastuskertoimesta, ja lähtösovite tulon heijastuskertoimesta, mikäli transistori ei ole unilateraalinen ( 1 0) molemmat on ratkaistava yhtä aikaa (yhtälöpari...) Yhtäaikaiset konjugaattiset sovitukset (bilateraalinen) M 1± 1 4 1 C1 ± 4 B B C Γ * C B B C 1 11 Γ ML * C C B 1+ 1 11 B 1+ 11 11 1 1 ΓML 1 T, max 1 1 1 ΓMs 1 ΓML 1 ( K K ) GP,max GA, max G 59

Yhtäaikaiset konjugaattiset sovitukset Γ Ms :n ja Γ ML :n yhtälöiden ratkaisu on mahdollista, mikäli neliöjuuren sisällä oleva lauseke positiivinen Voidaan osoittaa, että ehto toteutuu, kun K > 1 ehdottoman stabiilit transistorit voidaan aina suunnitella maksimivahvistukselle Mahdollisesti epästabiilit transistorin voidaan suunnitella maksimivahvistukselle, mikäli K > 1 ja < 1, (epästabiilin transistorin ) G T,max uunnittelu G Tmax :a pienemmälle vahvistukselle Konjugaattisilla sovituksilla päädytään aina maksimivahvistukseen siirtotehovahvistus G T on suurin mahdollinen konj. 1 Γ G konj. 1 11 Γ ( 1) G K K 1 T max 1 60

uunnittelu G Tmax :a pienemmälle vahvistukselle Tulo- ja lähtösovituksia voi tahallaan huonontaa ts. poiketa konjugaattisesta saadaan pienempi G T 1 Γ G 1 11 Γ Γ? Γ L? Vahvistusympyrät: haluttu G T Maksimivahvistuksella tulo- ja lähtöheijastuskertoimet ovat yksikäsitteisiä pisteitä mithin kartalla Mikäli sovitteita muutetaan niin, että G ja/tai G L tuottavat konjugaattisesta poikkeavan sovituksen, voidaan vakiovahvistuksen antavat Γ ja Γ L esittää vakiovahvistusympyröinä ympyräparvi suppenee kohti konjugaattisia sovituksia, luonnollisesti 61

Ratkaisutapa unilateraalisessa tapauksessa sovitteiden vahvistukset ovat G 1 Γ 1 Γ L G L 1 11 Γ 1 Γ L maksimivahvistukset konjugaattisilla sovituksilla 1 1 G L max 1 G max 1 11 määritellään normalisoidut vahvistukset g G G max g L G G L L max kuten stabiiliusympyröiden tapauksessa oli, voidaan nyt johtaa vakiovahvistusympyrät tulo- ja lähtösovitteille (johto kts. Pozar) C R * g11 1 (1 g ) 1 g 1 11 ( 11 ) 1 (1 g ) 11, C R L L * gl 1 (1 g ) L 1 g 1 L ( ) 1 (1 g ) L, g G G max haluttu vahvistus g L G G L L max haluttu vahvistus 6

11 * -kulma Γ Γ L * -kulma konjugaattisovitus tulossa, G max, Γ 11 * G 3 db G db G 1 db G 0 db konjugaattisovitus lähdössä G Lmax, Γ L * G L 1 db G L 0 db G T on siis valittujen sovitusvahvistusten ja transistorin vahvistuksen mukainen Heijastuskertoimet voi toki valita mistä kohtaa ympyrän kehiä tahansa, mutta yleisesti ottaen paras kaistanleveys saavutetaan valitsemalla heijastuskertoimet mahdollisimman läheltä kartan keskustaa 63

Ominaisuuksia uunnittelu onnistuu myös mahdollisesti epästabiilille transistorille Joka tapauksessa generaattorin ja tulosovittimen rajapinnassa on nyt heijastusta, mikäli sovite ei ole konjugaattinen näyttää huonolta ulospäin voi vaatia vielä yhden sovituksen, jos halutaan heijastukseton rajapinta generaattorille uurempi kaistanleveys kuin konjugaattisella sovituksella voidaan saavuttaa kohinan kannalta optimaalinen toimintapiste tulon heijastuskertoimelle JOTA PÄÄTÄÄNKIN LNA -VAHVITIMEN PARIIN 64

LNA-vahvistin (Low Noise Amplifier) Esimerkiksi radiovastaanottimen antennipiirin vahvistimen on syytä olla matalakohinainen, jotta koko järjestelmän kohinataso olisi pienin mahdollinen LNA ~ ~ LNA-vahvistin (Low Noise Amplifier) maksimivahvistus (konj. sov.) ei tuota yleensä parasta kohinalukua vahvistimessa revittäessä suurinta mahdollista vahvistusta järjestelmästä, huononee kohinaluku tutustutaan transistorin kohinaa kuvaaviin parametreihin ja havaitaan tulosovitteen merkitys kohinaluvun kannalta 65

Transistorin oleellisimmat kohinaparametrit meidän kannalta F min pienin kohinaluku, joka saavutetaan kun Γ Γ opt Γ opt tulon heijastuskerroin, jolla pienin kohina saavutetaan R N kohinaresistanssi Kohinaluku Kohinaluku on desibeleissä ilmoitettu suhteellinen kohinateho, jonka vertailuarvona on esim. 50 Ω resistanssin ominaiskohina nimellisessä toimintalämpötilassa kohinaluku kertoo, kuinka paljon esim. transistori kohisee enemmän kuin kytkennän ominaisimpedanssin mukainen resistanssi 0 db on siis ideaalinen kohinaluku usein kohinaluku voi olla LNA:lla alle db 66

Valmistaja ilmoittaa parametrit datalehdessä Kohinaluku saadaan laskemalla lausekkeella F 4R F + Γ Γ N opt min Z0 1 Γ 1+Γopt ( ) Valmistaja ilmoittaa parametrit datalehdessä Kohinaluku saadaan laskemalla lausekkeella F 4R F + Γ Γ N opt min Z0 1 Γ 1+Γopt ( ) Lausekkeesta on alkujaan ollut olemassa muoto, joka toimii admittansseilla eikä heijastuskertoimilla, toiminto on muuten täysin sama... (Pozar s. 558)!! Lausekkeissa EI AA KÄYTTÄÄ DEIBELEJÄ!! 67

Kohinaympyrät Määritellään kohinalukuparametri N N Γ Γ F F opt min 1+Γ opt 1 Γ 4R N Z0 Tavoitekohinaluku, suunnittelijan määräämä tekijä!! Lausekkeissa EI AA KÄYTTÄÄ DEIBELEJÄ!! Ympyrät... Kuten stabiilius- ja vakiovahvistusympyröiden tapauksessa, ratkaistaan luvun N perusteella se joukko heijastuskertoimia (ympyrän kehä) jotka tuottavat halutun kohinaluvun C R F F Γopt, N+ 1 ( + 1 Γopt ) N N N+ 1!! Lausekkeissa EI AA KÄYTTÄÄ DEIBELEJÄ!! 68

Γ, kohinan kannalta pienin kohina, FF min, Γ Γ opt F db F 3 db F 4 db Γ, kohinan kannalta Γ, tulosovitteen vahvistuksen kannalta pienin kohina, FF min, G max Γ Γ opt F db F 3 db F 4 db 69

LNA-vahvistin on siis kompromissi vahvistuksen ja kohinan kesken Valitaan se Γ joka tuottaa yhtä aikaa vaaditun kohinaluvun ja tulosovitteen vahvistuksen (josta edelleen vaadittu siirtotehovahvistus G T RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000 4. Luento 3..010 Dynaaminen alue ja särö DI Juho Tyster 70

Luennon sisältö Transistorivahvistimen dynaaminen alue Vahvistimen lineaarisuus ja särö Keskeismodulaatiosärö IMD Passiivinen keskeismodulaatiosärö Dynaaminen alue Ideaalinen vahvistin kykenee tuottamaan ulostuloon vahvistetun version syöttävästä signaalista kaikilla mahdollisilla tulo- ja lähtösignaalin arvoilla Käytännössä näin ei ole Pohjakohina Vahvistimen epälineaarisuus ja tehokompressio Kolmannen kertaluvun harhatoistot Transistorin tehonkesto 71

P out (dbm) 0 10 P in 10 db P out Ideaalinen vahvistin 1 db 0 10 0 30 pohjakohina 1 db tehokompressiopiste 40 30 0 10 0 10 0 P in (dbm) P out (dbm) 0 10 P in 10 db P out Ideaalinen vahvistin saturaatio tuhoutuminen 1 db 0 10 0 30 lineaarinen alue pohjakohina 1 db tehokompressiopiste 40 30 0 10 0 10 0 P in (dbm) 7

Pohjakohina Kohinaa syntyy useiden prosessien johdosta Lämpökohina 1/f -kohina (Flicker noise) Raekohina (hot noise) Kvanttikohina Kohinalähteinä voivat toimia myös ulkoiset tekijät Maailmankaikkeus (joskus tämä on juurikin se mitattava signaali) 73

Vastuksen lämpökohina Perustuu lämpökohinalausekkeisiin (Pozar s. 489) V n 4h f BR hf / kt e 1 Vn 4kT BR (approksimaatio) h Planckin vakio k Boltzmannin vakio T lämpötila [K] Pn ktb B kaistanleveys [Hz] f kaistan keskitaajuus R resistanssi [Ω] Pohjakohina on tyypillisesti luokkaa -60 db...- 100 db mikroaaltovahvistimilla Pohjakohina määrittelee alimman mahdollisen signaalitason Kohinaa muodostuu kaikissa häviöllisissä komponenteissa Pohjakohinan alapuolella järjestelmä ei ole lineaarinen, sillä lähtöteho ei vastaa vahvistunutta tulosignaalia 74

Tehokompressio 1 db kompressiopisteessä ulostuloteho on vaimentunut 1 db täyteen vahvistukseen verrattuna Vahvistin alkaa olla merkittävän epälineaarinen aturaatio alkaa Dynaaminen alue... Dynaamista aluetta rajoittaa siis pienillä signaaleilla kohina, suurilla signaaleilla tehokompressio ja epälineaarisuus 75

Epälineaarinen komponentti Epälineaarisen komponentin lähtösignaali koostuu tulosignaalin taajuuksien vahvistuneista (tai vaimentuneista) monikerroista Epälineaarisuus voi olla myös hyödyllinen ominaisuus (taajuuskertojat, mikserit, ilmaisimet) Epälineaarisuus yleisesti Olkoon tulosignaali v i ja lähtösignaali v o v i epälineaarinen systeemi v o v a a v a v a v 3 o 0+ 1 i+ i + 3 i +... 76

Epälineaarisuus yleisesti Olkoon tulosignaali v i ja lähtösignaali v o v i epälineaarinen systeemi v o v a a v a v a v 3 o 0+ 1 i+ i + 3 i +... Uusia harmoonisia taajuuskomponentteja muodostuu Jos vahvistimen tulosignaali sisältää yhden pistetaajuuden v V cosω t i 0 0 on vahvistus alkuperäiselle taajuudelle (johdettu Taylorin sarjasta) 3 Gv a + a V 4 1 3 0 77

Jos vahvistimen tulosignaali sisältää yhden pistetaajuuden v V cosω t i 0 0 on vahvistus alkuperäiselle taajuudelle (johdettu Taylorin sarjasta) 3 Gv a + a V 4 1 3 0 Epälineaariset vahvistustermit saavat aikaan tulosignaalin voimakkuudesta riippuvan vaimennuksen (a 3 negatiivinen) Tehokompressio Vahvistimilla lähtötehoa, jossa teho on tippunut 1 db lineaariseen vahvistimeen verrattuna, merkitään symbolilla P 1 78

Keskeismodulaatiosärö IMD eli intermodulation distortion Häiritsee merkittävästi vahvistimen lineaarista toimintaa, kun tarkastellaan tulossa esiintyviä, lähekkäin olevia taajuuksia Jos vahvistimen tulosignaali sisältää kaksi lähekkäin olevaa pistetaajuutta i ( cosω cosω ) v V t+ t 0 1 voidaan lähdössä esiintyvät taajuuskomponentit johtaa muotoon mω + nω 1 jossa m, n 0, ±1, ±, ±3, 79

umma- ja erotustaajuuksia kutsutaan keskeismodulaatiokomponenteiksi (intermodulation products) komponenttien kertaluku on m + n Esimerkiksi toisen kertaluvun komponentit ovat ω 1 ω ω ω 1 ω + ω 1 Ongelmaksi muodostuvat kolmannen kertaluvun komponentit 3ω 1 3ω ω + ω 1 ω + ω 1 ω ω 1 ω ω 1 80

Ongelmaksi muodostuvat kolmannen kertaluvun komponentit 3ω 1 3ω ω + ω 1 ω + ω 1 ω ω 1 ω ω 1 Lähellä alkuperäisiä taajuuksia, jos ω 1 ja ω ovat lähellä toisiaan Vahvistimen kaistanleveys ω 1 -ω ω -ω 1 ω 1 ω 81

P 3, IP3 Kolmannen kertaluvun keskeismodulaatiokomponenttien voimakkuus kasvaa tulojännitteen kuutioon verrannollisena Voidaan määritellä keinotekoinen tehopiste, jossa 3. kertaluvun komponentit saavuttavat voimakkuudeltaan lineaarisen vahvistetun komponentin P out (dbm) 0 10 0 10 0 lineaarinen termi kuutiotermi P 3 -tehopiste 30 40 30 0 10 0 10 0 P in (dbm) 8

Dynaaminen alue Näiden tekijöiden jälkeen voidaan määritellä kaksi dynaamisen alueen käsitettä lineaarisen toiminnan dynaaminen alue DR l harhatoistoton dynaaminen alue DR f P out (dbm) 0 10 1 db 0 DR l 10 0 DR f 30 40 30 0 10 0 10 0 P in (dbm) 83

Passiivinen keskeismodulaatiosärö PIM Keskeismodulaatiota esiintyy myös erilaisten epälineaaristen prosessien vaikutuksesta passiivisissa komponenteissa uurilla tehoilla yntymekanismi hapettuneet liitokset, lika, kipinöinti... Vaikea etukäteen ennakoida, todetaan lähinnä mittaamalla RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000 5. Luento 3..010 Tehovahvistusympyrät, vahvistimen suunnittelu bilateraaliselle transistorille DI Juho Tyster 84

Bilateraalinen transistori Maksimivahvistukselle voitiin esittää yhtäaikaisen konjugaattisen sovituksen lausekkeet, mikäli transistori on ehdottoman stabiili ko. taajuudella Vakiovahvistusympyrät esiteltiin unilateraaliselle transistorille Yhtäaikaiset konjugaattiset sovitukset (bilateraalinen) Γ M Γ ML 1± 1 4 1 C1 ± 4 B B C B B C C 1 11 B 1+ 11 * 1 11 * 11 B 1+ C C 1 1 ΓML 1 T, max 1 1 1 ΓMs 1 ΓML 1 ( K K ) GP,max GA, max G 85

Vahvistuslausekkeet Γ Γ IN OUT 11 1 + 1 1 1 + 1 Γ Γ 1 11 L L Γ Γ Ratkaisutapa unilateraalisessa tapauksessa sovitteiden vahvistukset ovat G 1 Γ 1 Γ L G L 1 11 Γ 1 Γ L maksimivahvistukset konjugaattisilla sovituksilla 1 1 G L max 1 G max 1 11 määritellään normalisoidut vahvistukset g G G max GL gl G L max 86

kuten stabiiliusympyröiden tapauksessa oli, voidaan nyt johtaa vakiovahvistusympyrät tulo- ja lähtösovitteille (johto kts. Pozar) C R * g11 1 (1 g ) 1 g 1 11 ( 11 ) 1 (1 g ) 11, C R L L * gl 1 (1 g ) L 1 g 1 L ( ) 1 (1 g ) L, g G G max haluttu vahvistus g L G G L L max haluttu vahvistus 11 * -kulma Γ Γ L * -kulma konjugaattisovitus tulossa, G max, Γ 11 * konjugaattisovitus lähdössä G Lmax, Γ L * G 3 db G db G 1 db G L 1 db G L 0 db G 0 db 87

Unilateraalisessa tapauksessa vahvistusympyröiden avulla voitiin vahvistusta muuttaa, ja samalla mahdollistettiin LNA-suunnittelu Bilateraalinen tapaus Mikäli transistorin 1 0, ja unilateraalisuutta kuvaava suure U on suuri, joudutaan vahvistinsuunnittelun avuksi ottamaan uusia menetelmiä 88

Yltötehovahvistusympyrä G A -ympyrä soveltuu kaikkiin tapauksiin, eikä sitä varten tarvitse tehdä unilateraalista oletusta Transistorin stabiilius otetaan huomioon stabiiliusympyröiden avulla Käsin laskettavaksi melko raskas, sillä mahdollisesti epästabiilissa tapauksessa tarvitaan stab. ympyröiden analysointi Periaate P avs P in P avn P L [] G G P P L / P in G A P avn / P avs G T P L / P avs Tehovahvistus Yltötehovahvistus iirtotehovahvistus 89

G G 0 [] G L 11 1 Γ G 1 Γ G T G G 0 G L G 1 Γ 1 Γ 11 G 0 1 G L 1 ΓL 1 Γ Γ out L Yhteys konjugaattiseen sovitukseen Mikäli vahvistin suunnitellaan siten, että lähdössä on konjugaattinen sovitus, on G A G T Aina ei ole mahdollista tehdä lähtöön konjugaattista sovitetta, stabiilius... 90

G A -ympyrän lauseke C R A A g C 1+ g a a 1 ( 11 ) 1 K g + g 1+ g g jossa G, 1 1 a 1 1 a a ( 11 ) A * a 1 11 1 C 1 G A -ympyrän lauseke C R A A g C 1+ g a a 1 ( 11 ) 1 K g + g 1+ g g G, 1 1 a 1 1 a a ( 11 ) jossa haluttu vahvistus A * a 1 11 1 C 1 91

Yltötehovahvistus on Γ :n funktio, joten ympyrä piirretään Γ -tasoon amassa tasossa on mahdollista esittää myös kohinaympyrä LNA-vahvistinsuunnittelu saadaan yhtä aikaa toteutettua Valitun Γ -pisteen perusteella lasketaan Γ out, jonka avulla pyritään tekemään lähtöön konjugaattinen sovitus tabiiliustarkastelu on nyt tehtävä suunnittelijan toimesta, sillä menetelmällä on mahdollista tehdä vahvistin myös mahdollisesti epästabiilin transistorin tapauksessa tabiilius tarkastetaan piirtämällä molempiin sovitetasoihin stabiiliusympyrät Käsin laskemalla raskas menetelmä Helppo laskea/piirtää tietokoneella 9

Laskuesimerkki MATLABilla Otetaan esimerkiksi NE31001 - kanavatransistori, ja tutkitaan jollakin taajuudella ympyrän käyttäytymistä erilaisilla vahvistuksen arvoilla Lähtösovitteen heijastuskertoimen juuriura Kun tulon heijastuskerroin käy läpi kaikki ympyrän pisteet, piirtyy vastaavasti lähtösovitetasoon juuriura Uran avulla voidaan hahmottaa konjugaattisovituksen mahdollisuutta Kaikki ne uran pisteet, jotka sijaitsevat stabiililla alueella, kelpaavat konjugaattiseen sovitukseen Turvallisinta on valita etäisin piste stabiiliuden reunasta 93

G A -ympyrä Γ * -juuriura Γ -taso Γ L -taso Mikäli lähtösovitetta ei voida esim. stabiiliussyistä valita Γ out :n konjugaatiksi, voidaan juuriuraa myöten siirtyä stabiilimpaan kohtaan Tällöin tarkastetaan tulon heijastuskerroin uudestaan 94

Kun lähtö on konjugaattisesti sovitettu [] Γ Γ L Γ out * Γ out G T 11 ΓL 1 1 Γ 1 1 Γ 1 Γ Γ out L Γ Γ + 1 Γ OUT 1 1 11 RF- ja mikroaaltotekniikka BL50A1000 6. Luento 17..010 RF-diodit DI Juho Tyster 95

Diodi Yksinkertaisin aktiivinen komponentti Tarkastelu joko yksi- tai kaksiporttina (riipuen kytkennästä/sovelluksesta) Toiminta perustuu epälineaariseen jännitevirtariippuvuuteen (V-I -käyrä) Käyttökohteita Tasasuuntaimena ja ilmaisimena ekoittimena ja demodulaattorina Kytkimenä Taajuuskertojana Oskillaattorin aktiivisena komponenttina (tunnelidiodioskillaattorit, varaktori) Oskillaattorirakenteista erikseen luento 96

PN-piidiodi ja chottky-diodi Matalilla taajuuksilla käytettävä PN-liitosdiodi on usein RFMW-alueella käyttökelvoton suuren liitoskapasitanssinsa takia uurilla taajuuksilla käytetään yleisemmin chottky-diodia, jonka metallipuolijohderajapinta on huomattavasti pienempi kapasitanssiltaan PN-diodi on edelleen kelvollinen esim. varaktorina (viritysdiodi, jänniteohjattu kapasitanssi) Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. 97

chottky-diodia tarkastellaan epälineaarisena vastuksena, jolla on epälineaarinen jännitevirtariippuvuus I( V ) I I( V ) I s 0 αv ( e 1) + i I 0 + vg d v + G ' d Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. ijaiskytkentä L p Z d C p C j (V) R s R j (V) 98

ijaiskytkentä Hajareaktanssit L p taattinen resistanssi Z d C p C j (V) R s R j (V) ijaiskytkentä L p Z d C p C j (V) R s R j (V) Liitoksen jänniteriippuvat komponentit 99

Dioditasasuuntaajat ja ilmaisimet Tasasuuntaaja muuntaa osan RF-signaalista DC-tehoksi Yleinen toimenpide RFMW-kytkennöissä tehon ilmaisimet, automaattiset tasonsäätöpiirit, signaalin voimakkuusilmaisimet tyypillinen herkkyys 400...1500 mv/mw Diodi-ilmaisimissa diodin epälineaarisuutta hyödynnetään demoduloimaan amplitudimoduloitu RF-kantoaalto demoduloitu signaali kantoaalto hyötytaajuus 0 ω m ω m ω 0 -ω m ω 0 +ω jne... m ω 0 ω 0 100

uodattamalla valitaan diodin tuottamasta signaalista haluttu hyötykaista Diodi-ilmaisimet toimivat ns. square-law alueella, joka pätee vain tietyille tehotasoille suurilla tehotasoilla lähtö saturoituu ja pienillä signaalia ei voida erottaa pohjakohinasta erityisen tärkeää esim. WR-ilmaisimissa ja signaalitason ilmaisimissa ilmaisimen biasointi parhaan herkkyyden saamiseksi 10 v in v out v out (db) 0 10 n. 30 mv...40 mv, tyypillisesti square-law -alue 0 30 40 pohjakohina 40 30 0 10 0 10 0 P in (dbm) 101

PIN-diodit ja ohjauspiirit PIN p-type - intrinsic - n-type Mikroaaltojärjestelmissä käytetään paljon kytkimiä tehon virtauksen ohjaamiseen kytkimiä voidaan myös vaiheensiirtimien ja vaimentimien tekemiseen mekaaniset kytkimet tyypillisesti koaksiaalisia tai aaltojohtoja isoja ja hitaita PIN-diodia voidaan hyödyntää elektronisena kytkimenä helposti integroitavissa planaariseen kytkentään, erittäin nopea (<10 ns) Estosuuntaan biasoituna PIN-diodilla on pieni liitoskapasitanssi, joka johtaa verrattain suureen impedanssiin avoin kytkin Myötäsuuntaan biasoituna virta poistaa liitoskapasitanssin, jolloin diodin impedanssi on pieni suljettu kytkin 10

L p L p Z r Z f R r C j R f Estosuuntainen bias Myötäbias PIN-diodin biasointi täytyy toteuttaa samalla tavalla kuin vahvistimellekin Voidaan käyttää kytkimenä sekä sarja- että rinnan Väliinkytkentävaimennus (insertion loss, IL) ja estotilan vaimennus voidaan laskea diodin parametreista ja ne riippuvat myös siitä onko kytkin sarjassa vai rinnan Väliinkytkentävaimennusta voidaan pienentää usein lisäämällä ulkoinen reaktanssi sarjaan tai rinnan kompensoimaan diodin reaktanssia pienentää kaistanleveyttä 103

Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. 104

PIN-diodi vaiheensiirtimet PIN-diodikytkimien avulla voidaan rakentaa useita erityyppisiä vaiheensiirtimiä kytketty linja, kuormitettu linja, heijastus Kytketty linja Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. 105

Kuormitettu linja Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. Heijastusvaiheensiirrin, kvadratuurihybridillä Lähde: Microwave engineering, 3rd ed. Pozar, D. M. 004 John Wiley & ons, Inc. 106

Varaktoridiodit Varaktoridiodin liitoskapasitanssi muuttuu biasointijännitteen funktiona elektronisesti säädettävä reaktiivinen komponentti Tyypillisin sovellus paikallisoskillaattorin sähköinen viritys vastaanottimessa matkapuhelimet, WLAN-radiot, televisiot Toteutetaan käyttämällä varaktoridiodia transistorioskillaattorin resonanssipiirissä ja säätämällä biasointijännitettä Varaktoridiodin epälineaarisuus tekee siitä hyödyllisen myös taajuuskertojissa Valmistus piistä tai gallium-arsenidista ijaiskytkentä L p Z d C p C j (V) R s R j (V) 107

Tunnelidiodit Tunnelidiodien toimintakäyrässä on negatiivisen dynaamisen resistanssin alue Tästä seuraa dynaamisen signaalin (vaihtojännite, RF-signaali) kannalta negatiivinen resistanssi Negatiivisen resistanssin avulla voidaan toteuttaa ykköstä suurempia heijastuskertoimia oskillaattorit, heijastusvahvistimet Joitakin nykyisiä tyyppejä Vyörydiodi (Avalanche diode) IMPATT-diodi Gunn-diodi BARITT-diodi 108

IMPATT-diodi IMPATT-diodi (Impact Avalanche and Transit Time) Fyysinen rakenne samantapainen kuin PIN-diodilla, mutta sen ominaisuudet johtuvat Avalanche-efektistä Negatiivinen resistanssi laajalla taajuuskaistalla joka ulottuu alimillimetrialueella asti Voidaan suoraan muuntaa DC:tä RF-tehoksi Tyypillinen taajuuskaista 10 GHz 300GHz, hyötysuhde n. 15% Tehot kymmenistä wateista milliwatteihin (pienenee taajuuden funktiona) Käytännössä ainoa komponentti, jolla saatavissa tehoa yli 100 GHz:n kantataajuudella Käyttö myös taajuuskertojissa ja vahvistimissa Gunn-diodi Gunn-diodi on myös negatiivinen resistanssi, joten sitä voidaan käyttää DC:n muuntamiseksi RF:ksi Tehot useita satoja milliwatteja 1GHz 100GHz taajuuskaistalla, hyötysuhde 5%...15% Gunn-diodia hyödynnetään laajalti halvoissa sovelluksissa, kuten liikennetutkissa, liikkeentunnistimissa 109

BARITT-diodi BARITT-diodin (Barrier Injection Transit Time) rakenne on vastaavanlainen kuin BJT-transistorin, mutta ilman kantakontaktia Teho yleensä IMPATT-diodia pienempi, mutta etuna pienempi AM-kohina Hyödyllinen paikallisoskillaattorisovelluksissa n. 94 GHz:iin asti. Käytetään myös ilmaisimissa ja miksereissä 110