В каскадах на ПТШ для регулировки усиления используют зависимость крутизны стоко-затворной характеристики от напряжения на затворе.
Регулировка усиления каскада на ПТШ может быть обратной и прямой. При обратной регулировке, когда транзистор запирается с целью уменьшения усиления, для получения большей чувствительности регулировки необходимо, чтобы сопротивление нагрузки каскада было много меньше внутреннего сопротивления транзистора, а сопротивление источника сигнала было много меньше входного сопротивления каскада.
Наиболее часто используют прямую регулировку усиления. В каскадах на ПТШ она осу-
ществляется путём изменения напряжения смещения на затворе, что приводит к изменению то-ка транзистора, а следовательно и коэффициента усиления каскада.
3.4 Распределение усиления по трактам приёмника
Расчёт коэффициентов передачи трактов приёмника произведём по методике, изложенной
в работе [10] исходя из реальной чувствительности приёмника мкВ и допустимых амплитуд на входах:
- первого смесителя ;
- второго смесителя ;
- демодулятора (для частотного и фазового).
Мощность сигнала на входе демодулятора (выходе приёмника) составит:
Вт = 20 мВт или дБВт
Требуемый коэффициент усиления приёмного тракта составит:
дБ
Коэффициент усиления приёмного тракта определяется как сумма усилений и затуханий, вносимых его каскадами. Для структурной схемы тракта, приведенной на рис.2.5:
(3.1)
где – коэффициент усиления МШУ;
– коэффициенты усиления УПЧ1 и УПЧ2 соответственно;
– потери преобразования в первом и во втором смесителе. Для балансного
смесителя .
Примем мкВ, мВ, В.
Для обеспечения величины с учётом потерь преобразования в смесителях и допустимых амплитуд напряжений на их входах, коэффициенты усиления УРЧ, УПЧ1 и УПЧ2
рассчитываются следующим образом:
дБ,
дБ
дБ
где = 5...10 – коэффициент запаса усиления.
Проверим полученные результаты. Подставляя полученные значения коэффициентов усиления трактов в выражение (3.1) получим :
дБ
Таким образом можно сделать вывод, что требуемый коэффициент усиления приёмного тракта обеспечивается.
На основании полученных данных составляем функциональную схему тракта (рис.3.4)
3.3 Формулировка требований к приёмной системе
Итак, на основе проведенного энергетического расчёта а также распределения усиления по трактам приёмника сформулируем основные требования:
1) обеспечение реальной чувствительности не хуже дБВт;
2) обеспечение коэффициента усиления приёмного тракта не менее дБ;
3) обеспечение требуемого по ТЗ подавления помех по зеркальному каналу, каналу ПЧ, соседнему каналу приёма;
4) обеспечение суммарного коэффициента шума приёмного тракта не более дБ.
Рис.3.4. Функциональная схема приёмного СВЧ тракта
4. Выбор и расчёт СВЧ малошумящего усилителя
4.1. Бесструктурные модели транзистора СВЧ
В основу расчёта и анализа транзисторного МШУ СВЧ должна быть положена модель транзистора. Это может быть структурная (физическая) модель, т. е. эквивалентная схема тран-зистора, либо бесструктурная модель, представляющая транзистор в виде эквивалентного четырёхполюсника.
Преимуществом структурной модели является высокая информативность; эквивалентная схема характеризует поведение транзистора в диапазоне частот и позволяет устанавливать связь между её элементами и характеристиками транзистора. Бесструктурная модель транзистора менее информативна, она строго справедлива лишь на одной частоте. Для определения частотной зависимости параметров транзистора надо провести измерения на разных частотах. Однако бесструктурные модели более точны, поскольку их параметры могут быть измерены значительно точнее, чем параметры эквивалентной схемы.
Транзистор СВЧ как эквивалентный четырёхполюсник может быть описан, например, Y- или H-параметрами, которые обычно используются на более низких частотах. Но для измерения этих параметров необходимо обеспечить режимы холостого хода и короткого замыкания, трудно осуществимые на СВЧ из-за влияния паразитных элементов схемы. Более подходят для его описания параметры матрицы рассеяния или S-параметры, поскольку они измеряются в линиях с согласованными нагрузками, что на СВЧ наиболее просто.
Расчёт МШУ СВЧ принято проводить с использованием бесструктурной модели транзистора в S-параметрах. При необходимости бесструктурная модель может быть дополнена структурной моделью. Обе модели взаимосвязаны: по S-параметрам транзистора, измеренным на нескольких частотах, можно определить (или уточнить) элементы его эквивалентной схемы и наоборот, известная эквивалентная схема позволяет рассчитать S-параметры на любой частоте диапазона, в котором эта схема корректна.
4.2. Системы S- и S'- параметров транзистора
В системе S-параметров транзистор представляется в виде четырёхполюсника, включенного в линию передачи с волновым сопротивлением Z0. Линия согласована с генератором (источником сигнала) и нагрузкой, т. е. сопротивления генератора ZГ и нагрузки ZH равны волновому сопротивлению линии (рис. 4.1).
Рис. 4.1. К определению S-параметров транзистора
Четырёхполюсник в согласованной линии передачи с волновым сопротивлением передачи Z0
Для определённости примем Z0=50 Ом. На входе и выходе четырехполюсника имеются падающие и отражённые волны напряжения , (i =1 для входа, i = 2 для выхода), связь между которыми задается параметрами матрицы рассеяния волн напряжения (S-параметрами):
Матрицу рассеяния волн напряжения принято называть просто матрицей рассеяния. Параметры матрицы рассеяния имеют ясный физический смысл:
- коэффициенты отражения напряжения от входа и выхода четырёхполюсника при согласова-нии на его выходе () и входе () соответственно;
- коэффициенты прямой и обратной передачи напряжения, определённые при тех же усло-виях.
Матрица рассеяния характеризует четырёхполюсник, нагруженный на чисто резистивные сопротивления Z0. В реальных же усилителях транзистор оказывается нагруженным на сопротивления, не только не равные Z0, но в общем случае комплексные. Произвольно нагруженный четырёхполюсник принято описывать параметрами матрицы рассеяния волн мощности (S'-параметрами).
В системе S'-параметров транзистор в виде эквивалентного четырёхполюсника включается в общем случае на стыке двух линий передачи, не согласованных с генератором (источником сигнала) и нагрузкой (рис. 4.2). Входная подводящая линия трансформирует сопротивление генератора ZГ в сопротивление Z1 в плоскости входных клемм четырёхполюсника, а выходная
Рис. 4.2. К определению S' – параметров транзистора
Четырёхполюсник в рассогласованной линии передачи
подводящая линия – сопротивление нагрузки ZH в сопротивление Z2 в плоскости его выходных клемм. Транзистор при этом нагружен на сопротивления Z1 и Z2, в общем случае комплексные. Падающие ai и отраженные bi волны мощности на входе (i=l) и выходе (i=2) четырёхполюсника связаны между собой матрицей рассеяния волн мощности
где
(i=1, 2);
– комплексные амплитуды напряжений и токов на входе и выходе четырёхполюсника;
– комплексные сопротивления генератора (i=1) и нагрузки (i =2) в плоскости входных и выходных клемм четырёхполюсника соответственно;
- коэффициенты отражения от входа и выхода четырёхполюсника при согласовании его на выходе (а2=0) и входе (а1=0) соответственно;
- коэффициенты прямой и обратной передачи, определённые при тех же условиях.
Комплексные величины ai и bi принято называть волнами мощности, хотя они имеют размерность корня квадратного из мощности. Отношения этих величин, т. е. S'-параметры, не имеют ясного физического смысла. Однако введение волн аi, bi, a также матрицы рассеяния S' целесообразно по следующим причинам. Во-первых, квадраты модулей аi, bi действительно являются падающими и отражёнными волнами мощности, а их отношения — коэффициентами передачи и отражения мощности. Во-вторых, при равенстве сопротивлений Zi волновому сопротивлению Z0 S'-параметры сводятся к S-параметрам.
S'-параметры транзистора не могут быть измерены непосредственно, а могут быть расчитаны с помощью S-параметров.
4.3. Расчёт маломощных усилителей на транзисторах
Расчём МШУ проведём по методике, изложенной в работе [7].
Расчёт включает следующие этапы:
1. выбор транзистора;
2. выбор схемы включения транзистора;
3. выбор режима работы транзистора;
4. выбор числа каскадов, расчёт согласующих трансформаторов и цепей обратной связи;
5. выбор схемы питания;
6. составление электрической схемы;
7. составление топологической схемы;
8. анализ на ЭВМ топологической схемы с подключёнными транзисторами;
9. оптимизация на ЭВМ параметров согласующих цепей;
Рассмотрим каждый этап расчёта подробнее.
4.3.1. Выбор типа транзистора
В качестве транзистора выберем полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ) N76038а японской фирмы NEC , который по сравнению с биполярным транзистором обеспечивает более низкий уровень шумов в рабочем диапазоне частот.
4.3.2. Выбор схемы включения транзистора
Для полевого транзистора используется схема с общим истоком (ОИ), общим затвором (ОЗ) и общим стоком (ОС). У схемы с ОИ лучшие усилительные свойства и хорошая устойчивость, но иногда для согласования с генератором применяют схему с ОЗ, а для согласования с нагрузкой - схему с ОС. Это связано с тем что при небольших значениях сопротивления нагрузки и на низких частотах входное сопротивление схемы с ОЗ и выходное сопротивление для схемы с ОС имеют небольшую реактивную составляющую и близки к (– крутизна тран-зистора). Недостаток этих двух схем в том, что они обладают малой устойчивостью и большим выходным (ОЗ) или входным (ОС) сопротивлением.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
