На 1 страницу

         

Диаграмма Смита

  Touchstone

MMICAD

MMICAD LAYOUT

  Microwave Office

 LIBRA

Aplac

Sonnet

HFSS

 

Serenade

 

Harmonica

 

MOMENTUM

 

Microwave Explorer

 

Series IV

Уравнения Максвелла  

Ряды Вольтерра  

  Метод моментов

  Динамический диапазон

  Мощность насыщения

Шумы  

 

Лабораторная работа № 4

 

РАСЧЕТ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СВЧ УСИЛИТЕЛЯ

 

Цель работы:

Изучить методику расчета однокаскадного транзисторного СВЧ усилителя по заданным S-параметрам и D -шумовым параметрам.

Домашнее задание:

По заданным S-параметрам на одной частоте, соответствующей Вашему варианту, рассчитайте:

– окружности равного коэффициента шума;

–минимальный коэффициент шума Kш.мин и , при котором он
достигается;

– окружности равного номинального коэффициента передачи (по форму-
лам из части 2 данного пособия).

Исходные данные для расчета:

  1. S-параметры транзистора 3П321 в полосе частот от 5.0 до 7.1 ГГц (из лабораторной работы № 3)

2. D -параметры транзистора 3П321 в полосе частот от 5.0 до 7.1 ГГц

Вариант

F(ГГц)

|D 11|

|D 21|

Ð D 21

|D 22|

1

5.0

2.382

1.914

-78.9

1.671

2

5.3

2.404

1.876

-84.7

1.612

3

5.6

2.434

1.842

-90.7

1.555

4

5.9

2.469

1.809

-96.8

1.501

5

6.2

2.511

1.781

-103.2

1.451

6

6.5

2.561

1.757

-109.7

1.406

7

6.8

2.618

1.738

-116.4

1.366

8

7.1

2.469

1.700

-124.0

1.340

Задание в лаборатории:

Напишите программу на языке Touchstone и получите

– окружности равных коэффициентов шума;

– минимальный коэффициент шума на заданной частоте;

– шумовые частотные характеристики однокаскадного усилителя

в диапазоне 5.0 - 7.1 ГГц .

Критерием является совпадение рассчитанных согласно ДЗ и полученных в ходе выполнения расчета характеристик СВЧ усилителя.

 

 

Теоретическое введение

 

Коэффициент шума (дифференциальный) четырехполюсника (ЧП) определяется как отношение суммарной мощности шума на выходе от всех причин, к мощности шума на выходе при условии, что сам четырехполюсник не шумит; причем на входе источник шума находится при стандартной температуре T0 =290o K:

, (4.1)

где Рш.вых - мощность шума на выходе от всех причин,

Рш.г.вых - мощность шума на выходе, определяемая только мощностью шума генератора.

 

Вывод выражения для коэффициента шума в Т-параметрах

Коэффициент шума – эта характеристика четырехполюсника и она не зависит от мощности сигнала и шума на входе. Поэтому в качестве источника шума на входе выбирается генератор шума, который излучает ту же мощность, что и резистор, равный опорному сопротивлению Zo (обычно 50 Ом). Такой генератор излучает мощность kToD f ( k – постоянная Больцмана, To – стандартная температура, D f – полоса частот, выбранная на рабочих частотах)

Если же ЧП рассогласован на входе, то мощность шума, излучаемая реальной частью ZГ (рис. 4.1), стоящего на входе ЧП, равна

, (4.2)

где .

Теперь рассмотрим четырехполюсник с вынесенными из него шумами, описанными как автономные шумовые генераторы d 1 и d 2. Коэффициент шума не зависит от нагрузки, а точнее, не зависит от рассогласования на выходе (поскольку мощности в (4.1) зависят одинаково). Собственные шумы нагрузки учитываются в шумах следующего каскада.
Так как коэффициент шума не зависит от нагрузки, то положим, что на выходе включено сопротивление:

. (4.3)

 

Рис. 4.1. Шумящий четырехполюсник с вынесенными шумовыми генераторами

Тогда суммарная волна на этой нагрузке (напомним, что эта волна имеет модуль и фазу) равна

. (4.4)

Так, как процессы (шумы) и статистически зависимые (имеется корреляция), а статистически независим с и , то дисперсия суммарной волны, или мощность шума на выходе, определится как

(4.5)

И тогда коэффициент шума определится по формуле:

(4.6)

Проанализируем это выражение. Если преобразовать это выражение по степеням ГГ, то получим:

(4.7)

Это уравнение приводится к виду

 

, (4.8)

где - центр окружности для конкретного значения коэффициента шума,

(4.9)

Радиус окружности, соответствующей этому коэффициенту шума равен

. (4.10)

Отметим, что из (4.9) следует, что все центры окружностей на плоскости Г1 лежат на одной линии.

Приравнивая выражение для радиуса нулю, получим выражение для минимально достижимого коэффициента шума:

. (4.11)

Подставляя (4.11) в (4.9), получаем коэффициент отражения на плоскости Г1 , при котором достигается минимальный коэффициент шума каскада:

(4.14)

 

 

Литература

  1. Текшев В.Б. Проектирование транзисторных СВЧ усилителей. М., МЭИ,
  2. 1981.

  3. Шварц Н.З. Транзисторные СВЧ усилители. М. “Радио и связь”, 1980., 368 с.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Расчет шумовых характеристик

 

Рис.4.2. Схема анализируемого усилителя

Пример MICAMPN иллюстрирует расчет однокаскадного усилителя с ОС для описания эффекта влияния обратной связи на характеристики усилителя.

VAR

WOC = 2.25

WSC1 = 11.53

W100 = 3.43

W70 = 11

W50 = 24.00

WSC2 = 2.30

CKT

MSUB ER=9.9 H=25 T=.2 RHO=1 RGH = 0

MCROS 1 11 12 13 W1^WOC W2^WOC W3^W100 W4^WSC1

MLEF 11 W^WOC L\14

MLSC 13 W^WSC1 L\114

MLIN 12 3 W^W100 L=16.5

DEF2P 1 2 NAIN ! определение входной цепи

S2PA 2 3 51 NEC70000

DEF3P 2 3 51 NA2P !плавающий транзистор

CAP 51 52 C=20 !блокировочная емкость

IND 52 0 L=0.1 !индуктивность

RES 51 0 R=25 !сопротивление смещения

DEF1P 51 NASER !определение цепи ОС

MLIN 3 41 W^W100 L=8.5

MTEE 41 4 42 W1^W100 W2^W50 W3^WSC2

MLSC 42 W^WSC2 L\114

DEF2P 3 4 NAOUT !определение выходной цепи

NAIN 1 2

NA2P 2 3 4

NASER 4

NAOUT 3 5

DEF2P 1 5 AMP !определение всего усилителя

OUT

AMP DB[S21] GR1

AMP DB[NF] GR1 !КШ c учетом эффекта последовательной ОС

NAIN NF[A] GR1 !КШ без учета последовательной ОС

AMP DB[S11] GR2 !Возвратные потери

AMP DB[S22] GR2 !Рассогласование выхода

FREQ

SWEEP 6 20 .14 !Расчет от 6 до 20 ГГц через 0.14 ГГц

GRID

RANGE 6 20 2 !Сетки по оси X

GR1 1 10 1 !Сетки по оси Y для Kp и Kш

GR2 -30 10 10 !Сетки для Гвх и Гвых

OPT

AMP DB[S21] =7.5 !Цель оптимизации Kp=7.5 дБ

 

Контрольные вопросы

 

    1. Дайте определение коэффициента шума четырехполюсника.
    2. Источники шума в активных приборах.
    3. Шумы сопротивления. Рассчитайте мощность шума сопротивления величиной 50 Ом.
    4. Дайте понятие спектральной плотности шума. Матрица спектральных плотностей четырехполюсника.
    5. Дайте определение автономного шумящего четырехполюсника в системе Z-параметров.
    6. Две основные системы автономных четырехполюсников в системе волновых параметров S и T. Нарисовать эквивалентные схемы шумящих четырехполюсников с вынесенными источниками шума и записать матрицы спектральных плотностей.
    7. Вывести выражение для коэффициента шума в системе T-параметров.
    8. В чем заключается преимущества описания шумовых четырехполюсников в системах A и T параметров.
    9. Как получить зависимость коэффициента шума от последовательной обратной связи в однокаскадном усилителе на транзисторе?
    10. Физический смысл шумового параметра Rn и как определить его, имея шумовые параметры в системе Т параметров?
    11. Какой физический смысл имеют сигнальные и шумовые параметры в системе Т-параметров?
    12. Дайте определение первичных и вторичных шумовых параметров четырехполюсника применительно к системе T-параметров.
 

 

 

Если Вы хотите получить полное описание программы на русском языке, пошлите e-mail по адресу kurushin@mail.ru.
© 2000 СВЧ проектирование
Последняя модификация: июня 22, 2000