Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов и программного обеспечения для синтеза согласующих и корректирующих цепей свч транзисторных усилителей 17
1.1 Задача синтеза реактивных четырехполюсных согласующих цепей 17
1.2 Применение реактивных согласующих цепей в СВЧ транзисторных усилителях 20
1.3 Задача синтеза двухполюсных корректирующих цепей и их применение в СВЧ транзисторных усилителях 23
1.4 Методы синтеза реактивных корректирующих и согласующих цепей
1.4.1 Классические методы синтеза согласующих цепей и метод «вносимых потерь» 28
1.4.2 Методы «реальной частоты» 33
1.4.3 Метод систематического поиска 36
1.4.4 Графоаналитическая методика проектирования согласующих цепей на основе диаграммы Вольперта-Смита 37
1.4.5 Методы структурно-параметрического синтеза СЦ и КЦ на основе генетического алгоритма 40
1.4.6 Обзор программного обеспечения для синтеза СЦ, КЦ и СВЧ транзисторных усилителей 42
1.4.7 Выводы по рассмотренным методикам синтеза СЦ, КЦ и СВЧ транзисторных усилителей 1.5 Метод «областей» для синтеза согласующих и корректирующих цепей 47
1.6 Декомпозиционный метод синтеза СВЧ полупроводниковых устройств 54
1.7 «Визуальная» методика проектирования корректирующих и согласующих цепей з
1.8 Проектирование одно- и многокаскадных СВЧ транзисторных усилителей с реактивными согласующими цепями 62
1.9 Проектирование СВЧ транизсторных усилителей с помощью комплекса программ «визуального» проектирования 69
1.10 Анализ задании основные задачи исследования 72
2. Методика «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки 75
2.1 Описание методики «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки на сосредоточенных элементах 76
2.2 Описание методики «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки на распределенных элементах 83
2.3 Пример: Синтез цепи для согласования комплексных нагрузок 84
2.4 Пример: Синтез межкаскадной СЦ с заданной формой АЧХ 89
2.5 Проектирование реактивных широкополосных цепей по ОДЗ входного и выходного иммитанса 95
2.6 Основные результаты исследований 97
3. Комбинированная процедура интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании корректирующих и согласующих цепей 99
3.1 Решение задачи оптимизационного поиска элементов цепи по ОДЗ иммитанса 100
3.1.1 Построение ЦФ 100
3.1.2 Реализация автоматического поиска 103
3.2 Организация одновременного интерактивного и автоматического поиска при «визуальном» проектировании двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ 104
3.3 Пример: Проектирование цепи для согласования RLC-нагрузки 111
3.4 Пример: Проектирование цепи для согласования двух комплексных нагрузок 117
3.5 Основные результаты исследований 122
4. Программное обеспечение «визуального» проектирования корректирующих и согласующих цепей, разработка и экспериментальное исследование свч транзисторных усилителей 124
4.1 Краткое описание и функциональные возможности программы Locus 2.0. 124
4.2 Этапы процесса проектирования двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ в программе Locus и выполняемые функции 127
4.3 Пример синтеза реактивной цепи для согласования RLC-нагрузки с помощью программы Locus
4.3.1 Задание входных данных 130
4.3.2 Выбор структуры цепи 132
4.3.3 Поиск параметров выбранной цепи
4.4 Синтез широкополосного трансформатора импедансов 136
4.5 Пример синтеза двухкаскадного МШУ с помощью комплекса программ «визуального» проектирования 144
4.6 «Визуальное» проектирование монолитного малошумящего усилителя диапазона 3-20 ГГц 159
4.7 «Визуальное» проектирование малошумящего усилителя диапазона 0,9-2,1 ГГц, выполняемого по технологии печатного монтажа 166
4.8 Выводы 178
Заключение 180
Список сокращений 182
Список использованных источников
- Задача синтеза двухполюсных корректирующих цепей и их применение в СВЧ транзисторных усилителях
- Описание методики «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки на распределенных элементах
- Организация одновременного интерактивного и автоматического поиска при «визуальном» проектировании двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ
- Пример синтеза реактивной цепи для согласования RLC-нагрузки с помощью программы Locus
Задача синтеза двухполюсных корректирующих цепей и их применение в СВЧ транзисторных усилителях
При невыполнении условий (1.9) АЭ условно устойчив на этой частоте и при соответствующих нагрузках может превратиться в генератор. Обычно в большей части частотного диапазона транзисторы являются условно устойчивыми приборами. Поэтому при проектировании СВЧ усилительных каскадов необходимо знать области на комплексных плоскостях коэффициентов отражения генератора Ts и нагрузки Ть, в пределах которых модули входного (Гш) и выходного (Tout) коэффициентов отражения АЭ остаются меньше единицы, в этом случае условия генерации не будут выполняться. Указанные области значений Ts и ІУ называются соответственно областями устойчивости
АЭ по выходу ( Tout 1) и входу ( Тт 1). Коэффициент шума усилительного каскада с реактивными СЦ (рис. 1.3) не зависит от коэффициента отражения нагрузки Г и определяется только шумовыми параметрами АЭ и величиной коэффициента отражения источника сигнала Ys [12, 71-73, 75]. Наиболее просто коэффициент шума можно выразить через стандартные шумовые параметры АЭ Fmin, TSnnRn [IS, 78, 79]:
Реактивные СЦ могут использоваться при построении широкополосных СВЧ транзисторных усилителей (рис. 1.4). В этом случае они компенсируют спад с ростом частоты коэффициента усиления по мощности транзистора Gma{ f ) (коэффициент усиления транзистора в схеме включения с общим истоком уменьшается со скоростью порядка 6 дБ/октаву). Обычно реактивные СЦ строятся таким образом, чтобы на верхней частоте рабочего диапазона усилителя они не вносили потерь и обеспечивали за счет согласования максимально возможный коэффициент усиления. Выравнивание АЧХ усилителя в полосе частот происходит за счет отражения избыточной мощности сигнала на нижних частотах диапазона.
Построение широкополосного усилителя с реактивными СЦ Пример построения широкополосного усилительного каскада с реактивными СЦ на входе и выходе показан на рис. 1.4. Здесь входная СЦ обеспечивает выравнивание АЧХ каскада, а выходная СЦ согласует выходной импеданс АЭ с сопротивлением нагрузки усилителя. Расчет входной СЦ осуществляется таким образом, чтобы на верхней частоте рабочего диапазона обеспечивался режим, близкий к комплексно-сопряженному согласованию, а на более низких частотах избыточная мощность сигнала отражалась от входа усилителя и поглощалась в активном сопротивлении генератора. Для получения равномерной АЧХ зависимость рабочего затухания входной СЦ от частоты должна быть обратной кривой Gma(f).
Возможен другой вариант, когда согласование во всей полосе частот обеспечивается на входе усилителя, а выходная СЦ реализует выравнивание АЧХ.
Повышение коэффициента усиления и выравнивание АЧХ не являются единственными функциями реактивных СЦ в СВЧ транзиторных усилителях. В случае малошумящих СВЧ усилителей входная реактивная СЦ обычно рассчитывается с целью обеспечения минимального коэффициента шума, а выравнивание АЧХ осуществляется в выходной СЦ [12, 71-75, 80, 81]. При расчете мощных усилительных каскадов реактивная выходная СЦ проектируется таким образом, чтобы обеспечить импеданс нагрузки транзистора, соответствующий максимальной (или заданной) величине выходной мощности [12, 71, 72, 81-83], выравнивание АЧХ в этом случае осуществляется во входной СЦ [84, 85].
В усилительных каскадах широкополосных СВЧ усилителей часто используются двухполюсные цепи коррекции и ОС. При проектировании таких каскадов возникает задача синтеза пассивной двухполюсной цепи с требуемой частотной зависимостью иммитанса Wo(j&) (комплексного сопротивления Zo(y co) или проводимости Уо(у со)).
Общая постановка задачи проектирования двухполюсной цепи формулируется следующим образом. Пусть в интервале ює[юі,ю[/] задана частотная характеристика импеданса (комплексного сопротивления) Z0(co) = 7?о(со) + j Х0(т) (здесь coL и ти -соответственно нижняя и верхняя границы частотного диапазона; (со) и Х0(со) - вещественная и мнимая части импеданса) - см. рис. 1.5. Задача состоит в синтезе (определении структуры и элементов) пассивной двухполюсной цепи, сопротивление которой Z((Q) = R(G))+J Х(со) с необходимой точностью повторило бы зависимость
Очевидно, операторная функция синтезируемой цепи Z(p) должна удовлетворять условиям физической реализуемости входных функций пассивных цепей. Аналогичным образом задача формулируется, если задана частотная характеристика комплексной проводимости 7о(/со) или коэффициента отражения Го(/со) цепи. Применение двухполюсных корректирующих цепей и цепей ОС является распространенным способом построения СВЧ усилительных каскадов. Для указанных цепей будем использовать общий термин «корректирующий двухполюсник» (КД). Структурные схемы усилительных каскадов с одним и несколькими КД приведены на рис. 1.15.
Описание методики «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки на распределенных элементах
Следует отметить, что в Лаборатории интеллектуальных компьютерных систем Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ЛИКС ТУСУР) с участием автора был создан комплекс экспериментальных программ, предназначенных для автоматизированного синтеза СВЧ РЭУ и получивших высокую оценку ряда зарубежных и отечественных организаций. В этот комплекс вошли, в частности, первая версия программы «визуального» проектирования Locus. Она была предназначена для синтеза КЦ и СЦ по ОДЗ входного иммитанса или коэффициента отражения цепи, заданных на фиксированных частотах рабочего диапазона.
Однако, программы комплекса, несмотря на то, что работают в одной предметной области, практически не имели общей базы - ни в расчётной части, ни в пользовательском интерфейсе, а жестко заданная внутренняя структура не позволяла расширять их возможности. В связи с этим, их применение, поддержка и развитие, а также проведение новых исследований в этой области были значительно затруднены.
Для устранения этих недостатков было решено разработать программную платформу Indesys [15, 60, 135] (аббревиатура от «Intelligent Design System» -интеллектуальная система проектирования), которая должна стать основой для реализации комплекса программ автоматизированного синтеза СВЧ РЭУ, а также автоматизации процесса измерения и построения моделей элементов.
Поэтому автор также принял участие в создании программной платформы Indesys. Одной из задач диссертации является разработка новой версии программы Locus на основе платформы Indesys, в которой будут реализованы разработанные методики и процедуры синтеза СЦ и КЦ.
В соответствии со сказанным сформулируем основные задачи диссертации: Исследование и разработка методики и алгоритмов интерактивного «визуального» проектирования реактивных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном (сосредоточенно-распределенном) элементном базисах для широкополосного согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки. 2) Исследование и разработка комбинированной процедуры интерактивного и автоматического оптимизационного поиска при «визуальном» проектировании КЦ и СЦ, в том числе для комплексных импедансов генератора и нагрузки.
В [29, 49], а также в п. 1.6 была описана интерактивная методика «визуального» проектирования реактивных четырехполюсных СЦ и двухполюсных КЦ на сосредоточенных и распределенных элементах, обеспечивающих в заданной полосе частот требуемую форму частотной характеристики, либо по произвольным ограничениям на входной иммитанс цепи, которые представляются в виде ОДЗ иммитанса на фиксированных частотах. Процедура проектирования является простой и наглядной, выполняется пользователем в интерактивном режиме на основе оценки визуальной информации, не использует сложных вычислительных алгоритмов. Однако описанный вариант методики предназначен для синтеза цепей, согласующих активное сопротивление генератора с комплексным импедансом нагрузки. Между тем, во многих случаях требуется согласовать в широкой полосе частот два комплексных частотно-зависимых импеданса, либо учесть при синтезе СЦ комплекс требований к активному устройству, которые задаются в виде ОДЗ иммитанса цепи на фиксированных частотах. Такая задача возникает, в частности, при синтезе межкаскадных СЦ СВЧ усилителей.
В данном разделе предлагается вариант методики «визуального» проектирования для синтеза широкополосных цепей в сосредоточенном, распределенном и смешанном элементных базисах, которые предназначены для согласования комплексных импедансов генератора и нагрузки. На этой основе предлагается интерактивная «визуальная» процедура проектирования реактивных цепей (в том числе межкаскадных СЦ усилителей) по заданным на фиксированных частотах ОДЗ входного и выходного иммитансов. Эффективность методики подтверждается примерами проектирования СЦ, описанными в пп. 2.3 и 2.4 и сравнением с другими методами. 2.1 Описание методики «визуального» проектирования реактивных широкополосных цепей при комплексных импедансах генератора и нагрузки на сосредоточенных элементах
Пусть на ряде фиксированных частот сок(к = \,т) в полосе частот [0) ,(%] заданы комплексные импедансы генератора Zs(mk) и нагрузки ZL(mk). Задача состоит в определении структуры и элементов реактивной сосредоточенной СЦ (рис. 2.1), коэффициент передачи по мощности G(co) которой удовлетворяет ограничениям
Особенностью задачи синтеза реактивной СЦ для согласования двух комплексных нагрузок является то, что коэффициенты отражения S1 во входном сечении 1-1 и S2 в выходном сечении 2-2 цепи на рис. 2.1 равны по модулю (см. (1.2) в п. 0) и однозначно связаны с коэффициентом передачи по мощности G формулой (1.3) [5]. Отсюда следует, что при синтезе реактивной СЦ на рис. 2.1 достаточно контролировать коэффициент отражения только на входе или только на выходе цепи.
Предлагаемая методика «визуального» проектирования СЦ в качестве составной части использует предложенный в работе [75] аналитический способ расчета сосредоточенной цепи, обеспечивающей идеальное согласование двух произвольных комплексных импедансов в одной частотной точке со0. Для согласования импедансов генератора Z s и нагрузки Z L на частоте ю0 СЦ должна содержать два сосредоточенных реактивных элемента (рис. 2.2а, б). Метод [75] предполагает представление согласуемых импедансов на фиксированной частоте со0 в виде последовательного или параллельного соединения активного и реактивного элементов
В работе [75] вначале на основе анализа значений Z s и Z L на частоте со0 выбирается структура СЦ (схема 1 - рис. 2.2а, или схема 2 - рис. 2.26). Далее находятся ее элементы, с этой целью используются нормированные значения реактивных сопротивлений и проводимостей емкостей (хс,Ьс) и индуктивностей (x bj):
Организация одновременного интерактивного и автоматического поиска при «визуальном» проектировании двухполюсных КЦ и реактивных четырехполюсных СЦ
На первом этапе выбираем структуру цепи (блок 1). В случае задачи синтеза двухполюсных корректирующих цепей или четырехполюсных цепей, включенных между резистивным генератором и комплексной нагрузкой (см. п. 1.6) структура цепи выбирается из библиотеки путем сравнения расположения ОДЗ на плоскости импеданса (или комплексной проводимости) с формой годографа для типовых цепей. Пользователь в выбранной цепи назначает управляемые элементы. В случае задачи синтеза четырехполюсных цепей, включенных между двумя комплексными нагрузками (см. п. 2) пользователь выбирает число, способ включения и тип дополнительных управляемых (сосредоточенных или распределенных) элементов цепи.
После этого программа вычисляет начальные значения параметров управляемых элементов цепи еА (блок 2).
Далее среди частот ( выбираем опорную частоту соге/ и в пределах соответствующей области "(со .)на плоскости Z указываем с помощью «мыши» опорное значение входного импеданса цепи на этой частоте: Z(core/) є E(mref) (блок 3). В качестве опорной частоты целесообразно выбрать частоту, на которой ОДЗ имеет наименьшие размеры. В этом случае легче исследовать влияние выбора опорной точки на форму годографа. Если размеры ОДЗ на всех частотах примерно одинаковы, за опорную можно взять нижнюю или верхнюю граничную частоту рабочего диапазона.
Следующим шагом является выбор процедуры проектирования КЦ или СЦ - чисто «визуальной» или комбинированной. В случае только «визуального» поиска проектировщик сам подбирает значения параметров управляемых элементов цепи с помощью тюнеров, а остальные элементы рассчитываются в результате решения системы уравнений (блок 8).
В случае комбинированного оптимизационного поиска пользователь выбирает метод оптимизации, целевую функции и режим работы оптимизационного поиска - с фиксированной опорной точкой или при оптимизации всех параметров (блок 4), а также задает диапазоны варьирования параметров каждого элемента цепи (блок 5). Для того, чтобы определить важность удовлетворения требований (1.27) на каждой из частот со ., вводятся весовые коэффициенты Рк.
Далее происходит запуск процесса автоматической оптимизации (блок 6). В случае режима работы с фиксированной опорной точкой в качестве начального приближения для оптимизатора используются текущие значения параметров управляемых элементов цепи еА . На очередной итерации процесса оптимизации выбираются определенные параметры управляемых элементов цепи еА. Далее происходит определение ев путем решения системы уравнений (1.29) (блок 8), расчет и отображение годографа Z(mk) на плоскости Z (блок 9). После этого, для каждой из частот ( рассчитываются расстояния Sk от точки годографа Z(mk) до ближайшей границы соответствующей области Е(тк), далее по одной из формул (3.3)-(3.6) в зависимости от выбранной ЦФ оценивается текущее решение (блоки 2 и 3 ). Основываясь на этой оценке, оптимизатор изменяет значение вектора элементов еА, и процесс повторяется сначала (блоки Г-3 ).
После запуска процесса оптимизации пользователь в режиме реального времени наблюдает изменение формы годографа на плоскости Z и оценивает попадание точек годографа Z(CO )B соответствующие ОДЗ Е(тк) (блок 10). Процесс автоматического поиска решений происходит параллельно с интерактивными действиями пользователя в этот момент. Это означает, что пользователь может вмешиваться в работу оптимизатора, перемещая точки годографа с помощью «мыши», либо изменяя параметры управляемых элементов цепи с помощью тюнеров (блок 7), и устанавливать (фиксировать) такие значения элементов цепи, которые считает нужными.
Наблюдая ход автоматического поиска решения задачи, пользователь может визуально в режиме реального времени выявить ситуацию, когда оптимизационный алгоритм попадает в область локального оптимума - при этом форма годографа перестает изменяться, но одна или несколько точек годографа находятся за пределами ОДЗ. В таком случае он имеет возможность, не прерывая автоматический поиск, с помощью мыши или тюнеров (блок 7) изменить положение годографа и далее продолжить автоматическое решение задачи.
Остановка процесса оптимизации происходит самим пользователем - либо когда найдено решение (все точки годографа попали в соответствующие ОДЗ), либо когда невозможно найти решение с заданной структурой цепи и для продолжения синтеза необходимо выбрать другую ее структуру.
В качестве первого примера рассмотрим решение известной задачи Фано [69]: синтезировать реактивную цепь для согласования трехэлементной i LC-нагрузки (рис. 3.3) с резистивным сопротивлением генератора в полосе частот/= 0,1...5 ГГц (в задаче Фано для большей наглядности элементы нагрузки денормированы к уровню импеданса Zo = 50 Ом и частоте 2тг-5-109 Гц). Значения элементов нагрузки: LL = 3,66 нГн, Сь= 0,76 пФ, RL = 50 Ом. В рассматриваемом случае сопротивление генератора Rs может варьироваться для улучшения характеристик цепи.
Данная задача была решена в [29, 52] с использованием интерактивной «визуальной» процедуры проектирования. На основе формул, приведенных в [49], на плоскости Z были построены ОДЗ выходного импеданса цепи Z(f) на 7 частотах в полосе 0,1...5 ГГц по требованиям к коэффициенту передачи G -0,757 дБ (0,84) и значениям импеданса нагрузки (рис. 3.4а). Последующий порядок решения задачи синтеза приведен в [52]. В результате были найдены две цепи, структуры которых представлены на рис. 3.5. В качестве управляемых в интерактивном режиме элементов цепей при «визуальном» проектировании в обоих случаях использовались сопротивление генератора Rs и емкость Сз, элементы Сі и Li рассчитывались автоматически из решения системы уравнений [52]. Характеристики полученных цепей (Цепи 1 и 2), а также время поиска параметров цепи заданной структуры представлены в табл. 3.1 (строки 1 и 2), здесь использованы следующие обозначения: Gmin - минимальный коэффициент передачи; AG = Gmax-Gmin неравномерность коэффициента передачи; \S\ - максимальный коэффициент отражения в полосе согласования. На рис. 3.4а изображены годографы импеданса цепей.
Пример синтеза реактивной цепи для согласования RLC-нагрузки с помощью программы Locus
На заключительном этапе с использованием программы Microwave Office идеальные пассивные элементы усилителя были заменены моделями монолитных элементов из библиотеки для выбранной GaAs рНЕМТ технологии, после финальной оптимизации величин элементов разработана топология (рис. 4.426) и выполнено моделирование характеристик МИС МШУ (рис. 4.44а). Размеры кристалла 1,3x0,7 мм2.
После изготовления МИС в НОЦ «Нанотехнологии» ТУ СУР были проведены зондовые измерения опытных образцов усилителя. Нарис. 4.43 представлена фотография кристалла МШУ.
МИС МШУ, а на рис. 4.446 - зависимости выходной мощности (Pout) и коэффициента усиления (G) от входной мощности (РІП) на частоте 18 ГГц. Ток потребления усилителя 45 мА при напряжении питания 2 В.
Результаты моделирования и измерений МИС МШУ: а) частотные характеристики; б) зависимости выходной мощности и коэффициента усиления от входной мощности на частоте 18 ГГц (эксперимент) В табл. 4.3 сведены требования к основным параметрам МИС МШУ, а также данные моделирования и эксперимента. Как видно, результаты моделирования и эксперимента хорошо совпадают.
В настоящем разделе описывается процесс проектирования двухкаскадного МШУ с помощью комплекса программ «визуального» проектирования СВЧ транзисторных усилителей. Ранее межкаскадная СЦ в многокаскадных СВЧ транзисторных усилителях проектировались двумя способами: 1) С помощью упрощенных «визуальных» процедур [155]. Это вело к неоптимальным цепям и потере точности проектирования. 2) На основе ГА [157]. Такой подход также является приближенным, требует совместного применения при разработке усилителя программ «визуального» проектирования и генетического синтеза, а также передачи данных между ними, что неудобно.
В настоящем подразделе демонстрируется возможность точного и «полностью визуального» решения задачи проектирования многокаскадного усилителя. Это достигнуто благодаря предложенной в п. 2 процедуре интерактивного «визуального» проектирования межкаскадной реактивной СЦ по ОДЗ входного и выходного иммитансов.
Ниже рассматривается проектирование МШУ диапазона 0,9-2,1 ГГц, выполняемого по технологии печатного монтажа. Такие МШУ используются в глобальной навигационной спутниковой системе, мобильной связи, в системах специального назначения. Как правило, усилитель должен обладать достаточно высоким уровнем коэффициента усиления (20 дБ и более) и малым коэффициентом шума (ниже 1,5 дБ). Достоинством технологии печатного монтажа с применением SMD-компонентов является большая добротность элементов по сравнению с монолитными, что приводит к уменьшению коэффициента шума и увеличению коэффициента усиления усилителя.
К усилителю предъявляются следующие требования: полоса частот Л/= 0,9-2,1 ГГц, коэффициент усиления G 30 дБ; неравномерность АЧХ AG = ±1,5 дБ; коэффициент шума F 0,8 дБ; модули входного и выходного коэффициентов отражения »Sii -10 дБ, &2І -10 дБ; усилитель должен быть безусловно устойчивым во всем диапазоне частот (к 1).
При проектировании в качестве АЭ были использованы полевые GaAs транзисторы фирмы Avago Technologies [165]. На рис. 4.45 приведены частотные зависимости МИНИМаЛЬНОГО Коэффициента Шума Fmin, МаКСИМаЛЬНОГО Коэффициента уСИЛеНИЯ Gmax и коэффициента устойчивости к для выбранного экземпляра транзистора. В качестве коэффициента усиления Gmax используется максимальный устойчивый коэффициент усиления Gmax=Gms=&i/ i2, так как на частотах / 6 ГГц транзистор является потенциально неустойчивым (к 1).
Анализ усилительных возможностей транзистора в заданных режимах работы показывает, что для обеспечения необходимого коэффициента усиления усилитель должен содержать два каскада. Структурная схема усилителя представлена на рис. 4.46. В усилителе используется входная (СЦі), межкаскадная (СЦг) и выходная (СЦз) реактивные согласующие цепи. В обоих каскадах включена последовательная ОС (Lsi и Lsi) для дополнительного повышения устойчивости и улучшения согласования каскадов по входу. Es Ті о T2 СЦі L СЦ2 L СЦз (I) m (2) n\ W zr zr zr Рисунок 4.46 - Структурная схема двухкаскадного МШУ 0,9-2,1 ГГц
Значения Ls\ и Ls2 были выбраны из следующих условий: 1) ОДЗ должны существовать во всей полосе рабочих частот; 2) размер ОДЗ должен быть максимальным; 3) расположение ОДЗ должно отвечать цепям ОС наименьшей сложности. На рис. 4.47 представлены ОДЗ на плоскости Zs и ZL первого каскада в полосе частот 0,9-2,1 ГГц при различных Lsi. Видно, что при увеличении номинала Ls\ размер ОДЗ становятся больше.
Согласно данным, представленным в [165] при больших значениях индуктивности истока транзистора наблюдается резонанс характеристики устойчивости на 6 ГГц, поэтому величина индуктивности на истоке транзистора должна быть не более 0,3-0,4 нГн. Таким образом, величина Ls\ была выбрана равной 0,3 нГн. Аналогичным образом была выбрана величина индуктивности на истоке транзистора второго каскада: Ls2 = 0,3 нГн.
Моделирование показало, что транзистор с индуктивностью на истоке Ls = 0,3 нГн в рабочем диапазоне имеет спад АЧХ приблизительно 5,6 дБ (рис. 4.48). Это означает, что суммарный спад АЧХ для двух каскадов будет равен приблизительно 10-11 дБ. В качестве коэффициента усиления Gmax на рис. 4.48 используется максимальный устойчивый коэффициент усиления Gmax=Gms=&i/ i2, так как в рабочей полосе частот транзистор является потенциально неустойчивым (к 1), при нагрузках, обеспечивающих идеальное согласование на входе и выходе каскада. 22 18 тах- Д-"
