Малошумящий усилитель на ПТШ: Методические указания к выполнению специального лабораторного практикума ''Нелинейные твердотельные устройства СВЧ''

Министерство образования Российской Федерации

РОСТОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Бойко К.В., Нойкин Ю.М., Заргано Г.Ф. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению специального лабораторного практикума “Нелинейные твердотельные устройства СВЧ” (специальность 071500, радиофизика и электроника) Часть XVI МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ПТШ

Ростов-на-Дону 2001

2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ .............................................................................. 4 1.1 Энергетические характеристики шумовых сигналов.............................. 4 1.2 СВЧ четырёхполюсники.............................................................................. 5 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ СВЧ И ИХ КЛАССИФИКАЦИЯ...................................................................................... 8 2.1 Параметры усилителей СВЧ...................................................................... 8 2.2 Малошумящие усилители ............................................................................ 9 2.3 Широкополосные усилители ....................................................................... 9 2.4 ПТШ − базовый элемент малошумящих усилителей............................. 11 3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ СВЧ ........................................... 12 3.1 Общие сведения .......................................................................................... 12 3.2 Параметры транзисторов ....................................................................... 13 3.3 Методика проектирования....................................................................... 14 3.4 Устойчивость усилителей........................................................................ 16 3.5 Согласование............................................................................................... 16 3.6 Обеспечение режима работы транзистора по постоянному току.... 18 3.7 Принцип действия балансного усилителя ............................................... 20 4. ИЗУЧАЕМЫЙ УСИЛИТЕЛЬ .................................................................... 21 5. УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗПАСНОСТИ……………………………………..23 6. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ ....................................................................... 24 7. ПОДГОТОВКА К ПРОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ ............................... 27 8. ИЗМЕРЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ШУМА И КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ УСИЛИТЕЛЯ........................................................................ 29 9. УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ................................ 30 10. УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ ............................................................................ 30 11. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.................................................................. 31 ЛИТЕРАТУРА…………………………………………………………….…. 32

3 Кафедра прикладной электродинамики и компьютерного моделирования Печатается по решению учебно-методической комиссии физического факультета РГУ и рекомендовано в качестве методических указаний для выполнения специального лабораторного практикума “Твердотельная электроника СВЧ” для студентов 5-го курса дневного отделения и магистров 1-го курса . Основание: П р о т о к о л №8 от 3 октября 2000 года. Ответственный редактор : начальник сектора, к.т.н. Толстолуцкий С.И.(РНИИРС) Рецензенты: профессор Бабичев Р.К. (кафедра радиофизики) доцент Чеботарев Г.Д. (кафедра квантовой радиофизики) Авторы:

Бойко Константин Викторович, с.н.с., к.т.н. Нойкин Ювеналий Михайлович, доцент, Заргано Геннадий Филиппович, и.о. профессора

Компьютерный набор и верстка: Д есятника А.Н., Бойко К.В., Затеева А.С.

Издание 2-е переработанное и дополненное

4 Лабораторная работа № 16 Малошумящий усилитель СВЧ на полевом транзисторе с барьером Шоттки Цель работы – изучить физический принцип действия, устройство, параметры и характеристики малошумящего усилителя СВЧ на полевом транзисторе с барьером Шоттки (ПТШ). Задание – переписать в рабочую тетрадь: 1) название и цель лабораторной работы; 2) основные положения, формулы, рисунки необходимые при ответе на контрольные вопросы. 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 1.1 Энергетические характеристики шумовых сигналов Шумовые сигналы, а также их источники (генераторы шума) характеризуются рядом параметров, которые описывают как энергетические, так и статистические свойства сигналов. В СВЧ-диапазоне, как при работе устройств, так и при их измерениях, в подавляющем большинстве случаев шумовые сигналы имеют тепловую природу. При этом шумовой сигнал можно рассматривать как некоррелированный белый шум и для его описания нет необходимости в статистическом анализе и достаточно лишь энергетических характеристик. Определение 1. Спектральная плотность мощности шума (СПМШ) (S’(f)) шумового сигнала равна отношению мощности сигнала в бесконечно малой полосе частот к величине этой полосы (рисунок 1) [9]

S( f ) =

dP , где f − середина этой полосы. df

(1.1)

Известно, что СПМШ активного сопротивления, находящегося при физической температуре Т, за исключением температур, близких к абсолютному нулю, с большой точностью равна kT, где k − постоянная Больцмана. Поэтому на практике применяются следующие параметры, характеризующие источники шумового сигнала (генераторы шума). Определение 2. Температура шума шумового сигнала (Tu(f)) показывает, при какой физической температуре должно находиться сопротивление, чтобы СПМШ сигнала, излучаемого этим сопротивлением, была равна СПМШ шумового сигнала и равна [9]

Tи ( f ) =

S( f ) . k

(1.2)

Часто (в том числе и при выполнения данной работы) СПМШ выражают в единицах kT0, где T0=290 К − стандартная температура [9]:

СПМШ (в ед kT 0 ) =

S( f ) . kT 0

(1.3)

5 1.2 СВЧ четырёхполюсники 1.2.1 Общие замечания

Для применения усилителя СВЧ в какой-либо радиотехнической системе необходимо определить систему параметров, полностью описывающих усилительные, шумовые и динамические свойства усилителя. С точки зрения теории цепей усилитель СВЧ представляет собой четырёхполюсник. Так же при разработке усилителей обычно представляется и активный элемент усилителя (в случае использования ПТШ по схеме с общим истоком его представление изображено на рисунке 2). Таким образом, понятие о математическом описании шумовых и усилительных свойств четырёхполюсников необходимо как при рассмотрении свойств усилителей, так и при их разработке. К определению спектральной плотности мощности шума

Схема включения ПТШ с общим истоком

Рисунок 1

Рисунок 1

df

S

dP

f

f

Поскольку изучение динамических характеристик усилителей не входит в рамки данной работы, рассмотрим усилительные и шумовые параметры СВЧчетырёхполюсников. 1.2.2 Матрица рассеяния

Четырёхполюсники СВЧ не принято характеризовать гибридными z, y или h-параметрами, определение которых основывается на понятии токов и напряжений, поскольку на СВЧ их значения сильно изменяются для различных точек СВЧ тракта. Наиболее удобны для описания свойств четырёхполюсников СВЧ их S – параметры – комплексные элементы матрицы рассеяния, измеренные на рабочих частотах в соответствующем рабочем режиме при включении в стандартные линии передачи с Zo =50 Ом. При измерениях на СВЧ оперируют с величинами, характеризующими волновой процесс – коэффициентами отражения и передачи. Теорию СВЧ многополюсников, построенную на основе этих понятий, легко сравнивать с экспериментом. Поэтому особенно продуктивным оказывается метод матрицы рассеяния [S]

6 (от англ. scattering – рассеяние), введенный специально для анализа СВЧ цепей. Вместо сопротивлений и проводимостей в матрице рассеяния используются комплексные коэффициент отражения и передачи волн по напряжению между соответствующими парами полюсов. Если четырехполюсник, подключен к двум однородным длинным линиям (рисунок 3), то можно записать уравнения, определяющие линейную связь между падающими и отраженными волнами на входе и выходе четырехполюсника в виде [3]: =S U +S U 11 1 пад 12 2 отр . U =S U +S U 2 пад 21 1 пад 22 2 отр U

1 отр

(1.4)

К определению матрицы рассеяния

Рисунок 3 Построенные по следующему правилу: в левой части уравнений стоят комплексные амплитуды волн, распространяющихся от четырехполюсника (рассеиваемые), а в правой – сходящиеся к четырехполюснику (набегающие). В матричной записи уравнения (7) приобретают вид: ⎡U1 отр ⎤ ⎡ S11 S12 ⎤ ⎡U1 пад ⎤ ⎥, ⎢ ⎥=⎢ ⎥×⎢ ⎢⎣U 2 пад ⎥⎦ ⎣⎢ S 21 S 22 ⎦⎥ ⎢⎣U 2 отр ⎥⎦

(1.5)

где S21 – равен комплексному коэффициенту передачи четырехполюсника в прямом направлении; S12 – равен комплексному коэффициенту передачи четырехполюсника в обратном направлении; S11 – равен комплексному коэффициенту отражения от входа при согласованном выходе устройства (нагруженного на 50 Ом); S22 – равен комплексному коэффициенту отражения от выхода при согласованном входе устройства (нагруженного на 50 Ом). Матрицу [S ] называют волновой матрицей. Численные значения коэффициентов Sik могут быть получены экспериментальным путем или из теоретических соображений.

7 1.2.3 Понятие устойчивости

При некоторых условиях в активном четырёхполюснике возможна генерация, то есть такое состояние, когда без подачи СВЧ сигнала на вход четырёхполюсника на его выходе или входе имеется СВЧ сигнал. Определение 3. Четырёхполюсник называют безусловно устойчивым, если при любых пассивных нагрузках (с положительной действительной составляющей) на его входе и выходе невозможно возникновение генерации. В противном случае он называется условно устойчивым или потенциально неустойчивым. Определение 4. Коэффициент устойчивости (К) активного четырёхполюсника является параметром, характеризующим возможность возникновения генерации и возможность двухстороннего согласования и определяется формулой [1,3] 2 2 2 1+ S11S 22 − S12 S 21 − S11 − S 22 , K= 2 S12 S 21

(1.6)

Необходимым и достаточным условием безусловной устойчивости будет выполнение следующих неравенств: К>1, ⏐∆⏐<1, где ∆=S 1 1 S 2 2 -S 1 2 S 2 1 . 1.2.4 Шумовые параметры

В радиоприёмных системах важнейшим параметром принимаемых сигналов является отношение мощности сигнала к мощности шума, которое для краткости часто называют просто отношением сигнал/шум. Для описания шумовых свойств четырёхполюсников используется дифференциальная величина −отношение сигнал/шум в бесконечно малой полосе частот

Pc ( f ) S c ( f )df S (f ) = = c . Pш ( f ) S ш ( f )df S ш ( f )

(1.7)

Определение 5. Коэффициентом шума (Kш) активного четырёхполюсника на частоте f называется величина, показывающая во сколько раз уменьшается отношение спектральных плотностей сигнала и шума при прохождении полезного сигнала через четырёхполюсник при спектральной плотности шумового сигнала, поступающего на вход четырёхполюсника

S ш вх = kT0 ,

(1.8)

где k − постоянная Больцмана, Т0=290 К. Определение 6. Относительная шумовая температура (Тш) активного четырёхполюсника (или просто температурой шума) равна температуре шума источника шумового сигнала, который необходимо включить на вход идеального (нешумящего) четырёхполюсника, чтобы СПМШ на его выходе была равна СПМШ на выходе реального четырёхполюсника с бесшумовым эквивалентом нагрузки на входе.

8 Относительная шумовая температура связана с коэффициентом шума соотношением

Tш = Т 0 (К ш − 1) .

(1.9)

2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ С ВЧ И И Х К Л АС С И Ф И К А Ц И Я 2.1 Параметры усилителей СВЧ При применении усилителей СВЧ, их испытаниях и выдаче технических заданий используется не непосредственно матрица рассеяния усилителя как четырёхполюсника, а другие параметры, выраженные действительными числами более удобные в практическом использовании, которые могут быть вычислены через комплексные параметры матрицы рассеяния. Рассмотрим наиболее важные из них. Определение 7. Под коэффициентом усиления (по мощности) СВЧ усилителей (Ку) понимается число, показывающее во сколько раз мощность, отдаваемая усилителем в нагрузку Pвых больше той, которая подаётся на его вход Pвх. Численно коэффициент усиления равен

K

=P /Р = S 21 y вых вх

2

.

(2.1)

Для удобства расчётов и измерений коэффициент усиления и коэффициент шума выражают не в разах, а в децибелах, т.е. K (дБ ) = 10 ⋅ lg (K ) (2.2)

y

K

ш

y

(дБ ) = 10 ⋅ lg (K ш )

.

(2.3)

Коэффициент усиления и коэффициент шума может быть различным для отдельных экземпляров усилителей одного типа. Они зависят от величины входной мощности, частоты сигнала, температуры окружающей среды и некоторых других факторов. Зависимость коэффициента усиления от частоты входного сигнала (эту зависимость называют амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ)) имеет сложный характер, определяемый частотными свойствами контуров и параметрами активных элементов (диодов, транзисторов), качеством согласования с источником сигнала и нагрузки, электрическим режимом и некоторыми другими причинами. Для регенеративных усилителей коэффициент усиления и полоса частот взаимосвязаны, так как увеличение коэффициента усиления приводит к уменьшению ширины пропускания и наоборот. Возможные амплитудно-частотные характеристики СВЧ усилителей на полупроводниковых приборах показаны на рисунке 4. Определение 8. Неравномерность коэффициента усиления (∆Ку) показывает, на сколько максимальный коэффициент усиления Kyмакс отличается от минимального Ky мин в заданном диапазоне частот. Она определяется в децибелах:

9 ∆К у = К у макс − К у мин .

(2.4)

Иногда неравномерность коэффициента усиления вычисляют относительно среднего значения коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот: тогда он имеет два знака "+" и "–". Например, Ky=15 ±1 дБ. Согласование с СВЧ-трактом численно выражается с помощью коэффициента отражения по входу ⎜S11⎜ и по выходу ⎜S22⎜. В практическом применении эта величина также часто выражается в децибелах. Однако, особенно в отечественной практике, чаще для характеристики согласования применяется другой параметр − коэффициент стоячей волны напряжения. Определение 9. Коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН) (ρ) Возможные АЧХ СВЧ усилителей Ку

Ку

Ку макс

∆К у

∆К у

Ку мин

а)

fмин

f

fмакс f

б)

Рисунок 4 входа (выхода) четырёхполюсника называется отношение амплитуды напряжения в пучностях к амплитуде напряжения в узлах линии передачи, присоединённой ко входу (выходу) четырёхполюсника. КСВН выражается через матрицу рассеяния четырёхполюсника следующим образом: ρ вх =

1 + S11 1 − S11

,

ρ вых =

1 + S 22 1 − S 22

.

(2.5)

2.2 Малошумящие усилители При приёме и измерениях слабых СВЧ сигналов необходимы усилители с низким коэффициентом шума или малошумящие усилители (МШУ). В настоящее время не существует точного разграничения усилителей на малошумящие и обычные. Ориентировочно, малошумящими считаются усилители, коэффициент шума которых не превышает 3 дБ, что соответствует температура шума, равной 300 К, т. е. температуре окружающей среды. Более точно, малошумящим называют усилитель, коэффициент шума которого ненамного превосходит значения коэффициента шума наилучших (с точки зрения шумовых параметров) серийно вы-

10 пускаемых усилителей того же частотного диапазона. Эти значения увеличиваются с ростом частоты и относительной ширины диапазона рабочих частот. По уровню техники 2000 г. для усилителей с шириной диапазона рабочих частот 10 – 20 % лучшие результаты по коэффициенту шума составляют от 0,3 дБ на частотах порядка 1 ГГц до 4-5 дБ − на 40 ГГц. Следует заметить, что лучшие экспериментальные макеты усилителей, созданные в лабораторных условиях, имеют значительно меньший коэффициент шума − 2 дБ в диапазоне 43-46 ГГц и 4.4 дБ − в диапазоне 92-96 ГГц[8]. Транзисторные усилители отличаются высокой чувствительностью, низким энергопотреблением, малыми габаритными размерами и массой, большой надежностью и устойчивостью к механическим воздействиям, сравнительно невысокой стоимостью. Активные элементы усилителей − биполярные (БТ) или полевые транзисторы с затвором на барьере Шоттки (ПТШ) − удобно сопрягаются с полосковыми линиями передачи, резонансными устройствами и элементами интегральных микросхем. Малошумящие усилители СВЧ, в основном, строятся на ПТШ, которые имеют меньший коэффициент шума, чем БT. Важнейшим параметром малошумящего усилителя является коэффициент шума (или относительная температура шума устройства). Вместе с тем, коэффициент усиления малошумящего усилителя должен быть достаточным из-за влияния последующих каскадов и оконечного устройства, в отличие от усилителя мощности, предназначенного для работы с сигналами, уровень которых значительно превышающими уровень шума. Малошумящие усилители с широким динамическим диапазоном должны сочетать в себе требования по шумам и линейности в большом диапазоне изменения сигнала В основе изготовления СВЧ усилителей на ПТШ лежит, как правило, гибридно-пленочная технология. Усилители, изготовленные по этой технологии, содержат элементы на изолирующих подложках, выполненные методом вакуумного напыления с последующей фотолитографией и навесные дискретные активные и пассивные элементы, монтаж которых производится с помощью пайки и специальных видов сварки − контактной, термокомпрессионной и ультразвуковой. Монолитные усилители выполяются на основе единого кристалла с различной степенью легирования. Они обладают рядом несомненных достоинств по сравнению с гибридно-пленочными – малые массогабаритные параметры, низкая стоимость при крупносерийном производстве, высокая повторяемость параметров. Тем не менее, далеко не везде и всегда преимущества этих усилителей компенсируют их недостатки. Усилители на основе объемных линий передач также имеют свои преимущества (малые потери) и свои недостатки (сложность конструкции). 2.3 Широкополосные усилители Для расширения полосы рабочих частот применяются следующие принципы построения усилителей: 1) балансный усилитель; 2) обратная связь; 3) активное согласование;

11 4) усилители с распределенным усилением. Разработка усилителей на основе ПТШ направлена на расширение полосы частот до декады и более при одновременном продвижении в коротковолновую часть СВЧ-диапазона. Развитие усилителей идет как по пути усовершенствования традиционных схем балансных усилителей в гибридно-интегральном исполнении, так и интенсивного создания схем по монолитной технологии. Современный уровень развития технологии и методов расчета позволяет создавать сверхширокополосные усилители на основе монолитных схем с оптимальными коэффициентами усиления и неравномерностью коэффициента усиления в сверхширокой полосе частот СВЧ диапазона. В настоящее время лучшие параметры усилителей достигнуты на основе гибридно-интегральной технологии, но реализовать многооктавные схемы усилителей позволила монолитная технология с использованием различных принципов согласования. 2.4 ПТШ − базовый элемент малошумящих усилителей. Наиболее широкое применение на СВЧ находят ПТШ на арсениде галлия, который имеет высокую подвижность электронов. Лучшие образцы ПТШ на арсениде галлия характеризуются минимальным коэффициентом шума 0,1 – 1 дБ на частотах 0,5 – 18 ГГц и 2 – 5 дБ на частотах миллиметрового диапазона. Отметим некоторые преимущества ПТШ по сравнению с биполярными транзисторами. Благодаря более простой и совершенной технологии изготовления ПТШ имеет меньший разброс электрических параметров. Ток в них течет не через p-n-переходы, а между омическими контактами в однородной среде канала. Благодаря этому ПТШ обладают более высокой линейностью передаточной характеристики, у них нет шумов токораспределения, а плотность тока может быть большой, следовательно, уровень их шумов меньше, отдаваемые мощности больше. Подвижность электронов арсенида галлия (GaAs), из которого в основном изготавливают ПТШ, примерно в 2 раза выше, чем в кремнии (Si), а вместо ёмкостей эмиттерного и коллекторного переходов у ПТШ имеется сравнительно малая ёмкость обратно смещенного затвора на барьере Шоттки. Поэтому они могут работать на более высоких частотах – созданы усилители, работающие на частотах до 200 ГГц. Внутренняя обратная связь через паразитные ёмкости в ПТШ незначительна, усилители работают на них более устойчиво в широком диапазоне частот. Несмотря на то, что теплопроводность GaAs в 3 раза меньше, чем у Si, биполярные транзисторы уступают ПТШ по коэффициенту шума уже на частотах выше 1 – 1,5 ГГц. В 90-х годах ХХ века происходит интенсивное освоение миллиметрового диапазона волн. Создание приборов для верхней части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн стимулировало переход к субмикронным длинам затвора и новым технологическим решениям, что потребовало углубления физических представлений о процессах, происходящих в таких транзисторах, и вызвало многочисленные исследования в этой области.

12 Разработка и проектирование полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем СВЧ диапазона с применением ПТШ на основе арсенида галлия определились как самостоятельное направление развития СВЧ техники. Важнейшими качествами таких микросхем по сравнению с микросхемами на биполярных транзисторах являются более высокое быстродействие и лучшие шумовые характеристики. Именно эти параметры и определили основные области их применения. Они широко используются в радиоприёмной, радиопередающей и измерительной аппаратуре СВЧ диапазона. 3 П Р О Е К Т И Р О ВА Н И Е У С И Л И Т Е Л Е Й С ВЧ 3.1 Общие сведения На основании технических требований к усилителю определяется число усилительных каскадов и принципы их построения. Затем проектируется каждый каскад в отдельности, анализируются его расчётные характеристики и характеристики всего усилителя. В случае, если расчётные характеристики не удовлетворяют техническим требованиям, процесс повторяется. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов или сумме коэффициентов усиления, выраженных в децибелах. Коэффициент шума многокаскадного усилителя определяется с помощью формулы де Фриза [3]:

К ш = К ш1 +

К ш2 − 1 К у(1)

+

К ш3 − 1 К (1) у ⋅ К ( 2 ) у

(3.1)

где Кшi, К(i)у - коэффициенты шума и номинальный коэффициент усиления iго каскада в единицах. Поскольку коэффициент усиления усилительного каскада составляет величину порядка 10, из формулы (1) видно, что достижение минимального значения коэффициента шума всего многокаскадного усилителя достигается в основном минимизацией коэффициентов шума первых двух каскадов Кш1 и Кш2, так как вкладом последующих каскадов можно пренебречь из-за уменьшения их влияния. Благодаря появлению в последнее время быстродействующих компьютеров и мощных программных средств стал возможен и другой подход − все усилительные каскады проектируются одновременно с анализом характеристик всего усилителя. Ввиду сложности такой подход применяется пока редко − в основном для двухкаскадных усилителей. В любом случае, на современном этапе, проектирование ведётся с помощью специализированного программного обеспечения. Несмотря на высокую степень автоматизации в таких программных продуктах, для их успешного использования также необходимо знание принципов проектирования усилительных каскадов. Проектирование гибридно-плёночных усилителей и монолитных существенно различается. Во-первых, при разработке монолитных усилителей разработчик имеет возможность изменять и оптимизировать параметры транзистора. Вовторых, особая технология изготовления и малые размеры элементов требует

13 специфического подхода в проектировании. В дальнейшем будет рассматриваться только проектирование гибридно-плёночных усилителей СВЧ. Первоначально выбирается тип транзистора, поскольку он в основном определяет характеристики усилительного каскада. Выбор транзистора производится на основании частотных зависимостей его параметров, определение которых будет дано в следующем разделе. 3.2 Параметры транзисторов 3.2.1 Шумовые параметры транзисторов

Для описания шумовых характеристик усилителя необходимы четыре параметра, которые измеряют или рассчитывают. Этими параметрами являются (задаются на каждой частоте): 1) Кш min - минимальный коэффициент шума транзистора; 2) Gшо = Re(Yшо), где Yшо - проводимость по входу, соответствующая минимальному коэффициенту шума Кш = Кш min; 3) Вшо = Im(Yшо); 4) Rш − параметр, характеризующий изменение коэффициента шума относительно его минимального значения. Шумовые параметры имеют частотную зависимость. Именно они используются при расчете усилителей. Используя эти параметры, можно найти коэффициент шума при определенной нагрузке по входу с проводимостью Yг [1]: К Ш = К ш min +

Rш YГ − Yшо GГ

2

(3.2)

где Yг=Gг+jBг ; Yшо=Gшо+jBшо; Из формулы (3.2) видно, что коэффициент шума усилителя больше минимального коэффициента шума применяемого транзистора из-за невозможности точной реализации в диапазоне частот оптимального импеданса источника сигнала. Кроме того, потери в цепях, стоящих перед транзистором, также вносят вклад в увеличение коэффициента шума каскада. Этот вклад можно проанализировать с помощью формулы (3.1). В усилителе с полосой пропускания 10-50% коэффициент шума превышает обычно коэффициент шума транзистора не более чем на несколько десятых децибела. 3.2.2 Коэффициент усиления

Из литературы известно множество параметров, которые характеризуют усилительные свойства транзисторов. При разработке линейных СВЧ усилителей используется только два из них. Максимально возможный коэффициент усиления (англ. − maximum available gain, MAG) показывает, какой максимальный коэффициент усиления можно достичь, используя данный транзистор в усилительном каскаде, настроенном на одну частоту. [1,3]

14

⎧S ⎪ 21 , K <1 ⎪⎪ S12 MAG = ⎨ , ⎪ S 21 ⎛ 2 ⎞ ⎜ K + K −1 ⎟, K ≥1 ⎪ ⎠ ⎪⎩ S12 ⎝

(3.3)

где К − коэффициент устойчивости (см. п.1.2.3). При этом, если К>1, максимальный коэффициент усиления достигается при

S 11 = S 22 = 0.

(3.4)

Если К<1, двухстороннее согласование невозможно. В силу физических закономерностей MAG убывает с ростом частоты. Выбирая транзистор, предполагают, что коэффициент усиления, который можно получить в усилительном каскаде будет на 1-3 дБ ниже MAG на верхней рабочей частоте в зависимости от ширины рабочей полосы частот, если K>1. В случае, если транзистор потенциально неустойчив в рабочем диапазоне частот, равномерную частотную характеристику коэффициента усиления в широкой полосе будет получить сложно и следует ожидать ещё большего снижения коэффициента усиления. Увеличения коэффициента устойчивости можно достичь применением отрицательной обратной связи. Оптимальный по шуму коэффициент усиления − коэффициент усиления, достигаемый при согласовании транзистора по входу на минимум шума, а по выходу − на максимум усиления. Используется аналогично MAG при оценке коэффициента усиления малошумящих каскадов. В рекламных проспектах фирм-изготовителей транзисторов при описании параметров часто слова "минимальный" и "максимальный" иногда опускаются. При описании параметров усилительных каскадов необходимо иметь ввиду, что транзисторы имеют значительный технологический разброс параметров и определять количество каскадов следует с запасом по коэффициенту усиления. 3.3 Методика проектирования Существует два подхода для описания исходных параметров транзистора при разработке усилителей: 1. Транзистор может быть описан в виде эквивалентной схемы, которая вставляется в общую схему усилителя при его анализе. 2. Транзистор представляется в виде четырёхполюсника, который описан параметрами матрицы рассеяния и шумовыми параметрами, измеренными или рассчитанными в требуемом диапазоне частот и соответствующей рабочей точке по постоянному току. В первом случае, если у разработчика отсутствуют описанные выше параметры транзистора, как четырёхполюсника, производится анализ частотных зависимостей параметров при представлении эквивалентной схемы транзистора с помощью специальных программ и производится выбор транзистора.

15 На протяжении многих лет оба подхода развивались параллельно и в настоящее время сложилась следующая ситуация при взаимоотношениях производителей транзисторов и разработчиков СВЧ-устройств. Производители транзисторов сообщают параметры матрицы рассеяния и шумовые параметры транзистора на дискретном ряде частот для оптимальных рабочих режимов по постоянному току. Как правило, эти параметры измеряются экспериментально. Сообщаются также параметры эквивалентной схемы, однако этот способ описания считается менее точным при описании свойств транзисторов в линейном режиме. Эквивалентная схема транзистора используется, как правило, только при анализе параметров усилителя в нелинейном режиме. При расчёте усилителей в линейном приближении используются значения матрицы рассеяния и шумовые параметры транзисторов. Рассмотрим наиболее простой вариант построения усилительного каскада СВЧ, лежащий также в основе проектирования, как балансного усилителя, так и усилителя с обратной связью. В этом случае усилитель состоит из транзистора, согласующих цепей (СЦ), цепей питания (ЦП) и разделительных элементов (РЭ) (рисунок 5). Схема цепей усилительного каскада СВЧ Uз

Uc

З Вход

СЦ1

c и

СЦ2

Выход

Рисунок 5 СЦ служат для преобразования волнового сопротивления входного и выходного СВЧ-тракта к оптимальным значениям. Если в СЦ происходит поглощение энергии, они называются диссипативными, если потери отсутствуют − реактивными, если присутствуют активные элементы и имеет место подача энергии извне − активными. ЦП должны обеспечивать минимальное рассогласование и потери в СВЧтракте в рабочем диапазоне частот при возможности подачи через них постоянного напряжения на выводы транзистора. Простейшей цепью питания является LCцепь, подключённая к СВЧ-тракту. РЭ должны обеспечивать минимальное рассогласование и потери в СВЧтракте в рабочем диапазоне частот и полную развязку по постоянному току. Простейшим РЭ является последовательно включённый конденсатор. После определения числа каскадов, выбора транзисторов, определения схемы построения (наличие обратной связи, балансной схемы) дальнейшее проектирование состоит в разработке СЦ, ЦП и РЭ.

16 3.4 Устойчивость усилителей При использовании усилителей сопротивление нагрузки и источника сигнала может отличаться от стандартного волнового сопротивления СВЧ-тракта для которого разрабатывается усилитель. Если усилитель переходит в режим генерации даже за пределами рабочего диапазона частот, теряется работоспособность усилителя. Поэтому необходимо проанализировать устойчивость усилителя при всех возможных в эксплуатации сопротивлениях нагрузки и источника сигнала. При К<1 на круговой диаграмме сопротивлений по входу и выходу существуют области, ограниченные окружностями, соответствующими неустойчивой работе усилителя, т.е. S11 <0 или S12<0. Координаты центра rs и радиусы окружностей Rs потенциальной неустойчивости определяются следующим образом: rS =

( S ii − ( S11 S 22 − S 21 S 21 ) S *jj ) *

RS =

2

S11 − S11 S 22 − S12 S 21

S 21S 21 S ii

2

(3.5)

2

− S 11S 22 − S 12 S 21

2

.

(3.6)

где i=1, j=2 для нагрузок по входу; i=2,j=1 для нагрузок по выходу. Обычно изменение расположения этих окружностей на круговой диаграмме в зависимости от частоты характеризует частотную зависимость параметров S*11 и S*22. Пример расположения окружностей потенциальной неустойчивости показан на рисунке 6 на круговых диаграммах совместно с частотными зависимостями параметров S11 и S22 для нагрузок по входу (а) и выходу (б) транзистора DXL 250IA (Uси = 3,5 В, Iс = =0,9⋅Ic нас). Значения сопротивления даны в омах. Когда окружности потенциальной неустойчивости располагаются вне единичных окружностей, транзистор будет безусловно устойчивым для любых нагрузок (К > I). При пересечении окружности потенциальной неустойчивости единичной окружностью режим неустойчивой работы усилителя может не возникнуть. Характерным в этом случае является работа на низких частотах. Обычно создание короткого замыкания на таких частотах гарантирует устойчивую работу, а режим холостого хода приводит к возбуждению усилителя. Области потенциальной неустойчивости на круговых диаграммах даны для нагрузок по входу (а) и выходу (б) транзистора DXL 250IA (Uси = 3,5 В, Ic = 0,91⋅Ic нас). 3.5 Согласование Если не ставится задача получения минимальных шумовых параметров (например, при проектировании оконечных каскадов), согласующие цепи М1 и М2 разрабатываются так, чтобы усилитель обеспечил коэффициент усиления, близкий к максимально возможному Ку или к максимально устойчивому Kys (при этом S11 = 0 и S22 = 0). В случае необходимости спроектировать усилитель в некоторой полосе частот сначала определяют коэффициент усиления на максимальной

17

18 частоте, который будет являться требуемым реализуемым коэффициентом усиления для всех остальных частот. Для однокаскадного усилителя соответствующее рассогласование в диапазоне частот может быть получено во входной или выходной согласующей цепи. В качестве примера рассмотрим результаты проектирования усилителя в диапазоне частот 8-12 ГГц на кристалле транзистора типа DXL 50IA. Для этого транзистора S-параметры измерены на малом сигнале. Поскольку максимально устойчивый коэффициент усиления на частоте 12 ГГц Куs = 12,3 дБ, то представляется целесообразным выбрать величину требуемого коэффициента усиления во всем диапазоне частот Ку = 11 дБ. Схема спроектированного усилителя представлена на рисунке 8. Усилитель работает в диапазоне частот 8-12 ГГц (Ку=11 дБ). Для обеспечения согласования транзистора потребовалось только два согласующих элемента на входе и три − на выходе (рисунок 7). В данном диапазоне частот в качестве согласующих элементов были выбраны отрезки микрополосковых линий, выполненных на диэлектрической подлодке 0,635 мм. Пример – схема СВЧ усилителя

l 0

=250м

L=1,24 нГц

0

=300м

Выход

Вход

L=0,79нГц

L=0,36 нГц Рисунок 7

При разработке малошумящих каскадов усиления входная СЦ строится таким образом, чтобы она трансформировала сопротивление источника сигнала к некоторому оптимальному значению, а выходная − также, как и в предыдущем случае − для достижения минимального выходного КСВН. При этом, в общем случае, не достигается максимально возможное усиление. 3.6 Обеспечение режима работы транзистора по постоянному току Этот вопрос является отдельной проблемой при разработке СВЧ усилителей на транзисторах. В усилителях на ПТШ к затвору должно быть приложено отрицательное напряжение порядка 0,1-2 В относительно истока, к стоку − положительное 1,5-5 В. Существует несколько вариантов цепей питания как с двумя, так и с одним источником питания. Иногда цепи питания можно совмещать с элементами согласующих цепей или цепей обратной связи. В гибридных схемах в качестве ем-

19 костей в цепях питания применяются в основном навесные керамические бескорпусные конденсаторы и конденсаторы типа металл-диэлектрик-металл (МДМконденсаторы). В качестве индуктивностей применяются как катушки индуктивности на ферритовых кольцах, так и печатные индуктивности в форме меандров или спиралей (рисунок 8). Такие индуктивности а также проводники, соединяющие навесные конденсаторы с другими элементами схемы представляют собой линии передачи. Если длина этих линий становится сравнимой с длиной волны (для гибридно-пленочных микросхем - с 2-3 ГГц), эти элементы уже нельзя рассматривать только как емкости и индуктивности. Расчет влияния таких цепей весьма сложен, а изменение импедансов может происходить не в лучшую сторону. Поэтому при повышении частоты имеет смысл применять распределенные цепи питания - цепи, состоящие из отрезков линий передач, в данном случае микрополосковых. Варианты индуктивностей в цепях питания СВЧ усилителя

а)

Рисунок 8

Как правило, используют тот факт, что при Т-разветвлении линий передач (рисунок 9) влияние линии с волновым сопротивлением Z1 тем меньше, чем больше сопротивление Z2 (т.е. чем меньше ширина W "боковой ветви"). Поэтому линию Z2 делают настолько узкой, насколько позволяют технология и требования к механической прочности металлизации. Если усилитель не очень широкополосный, можно сделать длину линии Z2 равной четверти длины волны и воспользоваться тем, что короткозамкнутый отрезок линии должен иметь входное сопротивление, равное бесконечности. Однако, при этом все равно необходимо учитывать изменения, вносимые в СВЧ-тракт неоднородностью в виде Т-разветвления микрополосковых линий.

20 Разветвление линии

z

z

w

1

1

1

w

2

z

2

Рисунок 9 3.7 Принцип действия балансного усилителя Балансный усилитель (рисунок 10) состоит из двух СВЧ мостов (называемых также трёхдецибельными или квадратурными направленными ответвителями) и двух одинаковых усилительных звеньев. Одно из плеч каждого моста нагружено на согласованную нагрузку. Мост представляет собой симметричное четырёхплечее устройство, в котором поступающий в одно из его плеч сигнал разветвляется на две части, равные по мощности и отличающиеся по фазе на 90° и поступающие в два других плеча. В оставшееся плечо СВЧ энергия не поступает. Заметим, что в реальных конструкциях мостов эти свойства сохраняются в широком диапазоне частот без значительных отклонений. Балансный усилитель 1

3

А e-jϕ−90° 2

Входной мост

Вход

2

А e-jϕ 2

4

-jψ

Ge

-jψ

А

G e-jϕ−jψ 2

3

А

G e-jϕ−jψ−90° 2

2

Ge

-jψ

Ge

- коэффициент передачи одиночного усилителя

Рисунок 10

4

Выходной мост

А

1

Выход AGe-jϕ−jψ−90°

21 Прохождение СВЧ сигнала через балансный усилитель показано на рисунке 11. Сигнал с амплитудой А, поступающий в плечо 1 моста, делится на две равные по мощности части, поступающие в плечи 2 и 3, причём, если фаза сигнала, поступающего в плечо 2, равна –ϕ относительно сигнала, поступающего в плечо 1, то фаза сигнала, поступающего в плечо 3 равна –ϕ−90°. С выходов входного моста сигналы поступают на усилители с одинаковыми коэффици ентами передачи . Усиленные сигналы поступают на выходной мост. Поскольку мост симметричен , при прохождении сигнала из плеча 3 в плечо 4 и из плеча 2 в плечо 1 фаза изменяется на –ϕ, а при прохождении из плеча 3 в плечо 1 и из плеча 2 в плечо 4 фаза изменяется на –ϕ−90°. В результате в плечо 4 выходного моста СВЧ мощность не поступает, а в плече 1 имеем исходный сигнал, аналогичный сигналу, усиленному одиночным усилителем с дополнительным сдвигом по фазе −2ϕ−90°. Реальные усилительные звенья не идеально согласованы с СВЧ-трактом по входу и выходу и, вследствие этого имеются отражённые сигналы. Рассмотрим прохождение сигналов, отражённых от входов усилительных звеньев. Эти равные по амплитуде сигналы делятся на две части и суммируются в плече 1 входного моста в противофазе, а в плече 4 - в фазе. Аналогично, сигналы, отражённые от выходов усилительных звеньев, поглощаются в нагрузке плеча 4 выходного моста. Таким образом, при идеальных характеристиках мостов и полностью одинаковых усилительных звеньях балансный усилитель полностью согласован. В реальных конструкциях применение балансной схемы позволяет значительно уменьшить КСВН входа и выхода усилителя. Балансная схема по сравнению с аналогичным одиночным усилителем обладает следующими основными преимуществами : 1) в 2 раза увеличивается максимальная выходная мощность, не зависимо от того, ограничена она типом применяемого транзистора или напряжением питания; 2) низкий КСВН входа и выхода усилителя. Недостатки балансной схемы : 1) в 2 раза большее количество элементов схемы, что увеличивает массогабаритные показатели , трудоёмкость изготовления и вероятность отказа усилителя; 2) в 2 раза большее потребление тока. 4 ИЗУЧАЕМЫЙ МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ Структурная схема изучаемого МШУ представлена на рисунке 11. МШУ состоит из двух балансных усилительных каскадов на арсенид-галлиевых ПТШ, коаксиально-микрополосковых переходов (КМП) и стабилизатора напряжения, заключённых в герметичный

22 корпус с целью обеспечения безотказной работы усилителя при неблагоприятных климатических условиях. Структурная схема МШУ КМП Вход

КМП Входной каскад

Выходной каскад

Выход

+9 В Стабилизатор напряжения Рисунок 11

+12 В

В качестве СВЧ мостов, используемых в балансных каскадах , применяются мосты Ланге на связанных МПЛ. Используемые в МШУ ПТШ ATF10136 в рабочем диапазоне частот имеют коэффициент устойчивости менее 1. Усилительные звеньях первого каскада в целях сохранения низкого коэффициента шума работают в режиме потенциальной неустойчивости. По входу осуществляется согласование на минимум шума, по выходу – на минимум КСВН . Благодаря применению балансной схемы усиления достигается значительное улучшение входного и выходного КСВН каскада во всей рабочей полосе частот и устойчивость всего каскада. В усилительных звеньях второго каскада с целью увеличения устойчивости введена параллельная частотно-зависимая отрицательная обратная связь (ООС). Этот каскад согласован с целью выравнивания АЧХ коэффициента усиления МШУ в целом и получения минимального выходного КСВН в рабочем диапазоне частот. Питание всех ПТШ производится по схеме с автосмещением (рисунок 12).

23 Схема цепи питания МШУ с автосмещением +Uпит

Вход

СЦ1

СЦ2

Выход

Рисунок 12 Изучаемый усилитель представляет собой микросборку (рисунок 13). Конструкция изучаемого МШУ 2

1

3

4

Рисунок 13 Корпус 1 чашечного типа выполнен из сплава Д16. Усилительные каскады сконструированы на двух платах размером 24х30х1 мм 3 . из керамики «поликор» с диэлектрической проницаемостью ε = 9,6 , припаянных к рамкам из сплава Д16Т. Сверху корпус закрывается крышкой и герметизируется паяным швом. СВЧ разъёмы размещены с двух сторон корпуса. Разъём 2 является входным, 3 – выходным. Вход 4 служит для подачи питающего напряжения. В целях достижения высокой повторяемости результатов элементы МШУ по возможности выполняются методами интегральной технологии − вакуумного напыления, фотолитографии и контактной сварки. Для заземления выводов истока используются металлизиро ванные отверстия. 5 УКАЗАНИЕ МЕР БЕЗОПАСНОСТИ ВНИМАНИЕ! При подготовке рабочего места необходимо выполнить правила, изложенные в разделе “К” инструкции “Техника безопасности при работах с радиоэлектронным оборудованием” и ”Правила техники безопасности и производственной санитарии в призводстве радиоаппаратуры и аппаратуры проводной связии ”

24 Изучить раздел ”Указание мер безопаспости в ”Техническом описании и инструкции по эксплуатации”(”ТО и ИЭ”) к каждому прибору, входящему в установку, и руководствоваться им в работе. 6 ОПИСАНИЕ У С ТАНОВКИ Измерение характериистик усилителя на ПТШ производится с помощью измерителя кэффициента шума Я8Х-273. Характерной особенностью измерителя является использование в нём встроенного микропроцессора. Наличие микропроцессора позволяет расширить функциональные возможности индикатора, автоматизировать ряд трудоемких операций и облегчить управление индикатором. Автоматизированы такие процессы , как ввод поправки на частотный ход СПМШ используемых генераторов шума, ввод поправок, учитывающий частотный ход собственных шумов и коэффициента передачи измерителя, автоматизирован выбор пределов измерения и т.п. На микропроцессор также возложены функций управления частотой, генераторами шума и всем процессом измерения. Упрощенная структурная схема измерителя коэффициента шума приведена на рисунке 14. При измерении параметров четырёхполюсника генератор шума ГШ1 используется в качестве меры СПМШ, с помощью которой производится измерение коэффициента шума и коэффициента передачи. Шумовой сигнал от генератора шума ГШ1 через измеряемый четырёхполюсник поступает на вход преобразователя частоты. Частота преобразования определяется частотой электрически управляемого генератора, используемого в качестве гетеродина. Перестройка частоты производится либо вручную (режим работы на фиксированной частоте), либо автоматически (панорамный режим работы). На выходе смесителя включен широкополосный усилитель промежуточной частоты, после которого преобразованный на промежуточную частоту сигнал через аттенюатор А1, полосовой фильтр или непосредственно поступает на вход блока индикатора

25

26 Я8Х-273. В состав преобразователя входят также генератор сигнала промежуточной частоты ГПЧ и аттенюатор А2. Сигнал ГПЧ программно модулируется по амплитуде с помощью аттенюаторов AI, А2 и используется для поверки линейности измерителя и калибровки управляемого аттенюатора А, включенного на входе блока Я8Х273. Сигнал промежуточной частоты (ПЧ) с выхода преобразователя поступает на вход ПЧ индикатора коэффициента шума (ИКШ). На входе имеется электрически управляемый аттенюатор А, который управляется с передней панели и на котором можно установить ослабление 0, 10, 20, 30, 40 дБ. Кроме управления с передней панели ослабление аттенюатора А автоматически устанавливается таким образом, что сигнал на входе широкополосного усилителя не выходит за определенные пределы, обеспечивающие наименьшую погрешность измерения. После аттенюатора сигнал поступает на вход широкополосного усилителя ПЧ. Далее он разветвляется на два канала, в каждом из. которых имеется ключ и квадратичный детектор . Ключи стопроцентно модулируют сигнал с частотой 5 кГц. Основное назначение этой модуляции заключаемся в том, что она позволяет освободиться от постоянной составляющей напряжения на выходе квадратичных детекторов, произвести линейное синхронное детектирование. Выбор частоты модуляции, равной 5 кГц, обеспечивает уменьшение фликкер-шума и фона от квадратичного детектора. Для того, чтобы избежать влияния флуктуационной погрешности за счет введения модуляций, ключи модулируются в противофазе, при этом после суммирования происходит обратная демодуляция сигнала. Управление ключами и синхродетектором производится от генератора 5 кГц. Сигнал с выхода синхродетектора поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Так как в приборе используется квадратичное детектирование, то напряжение на входе АЦП пропорционально мощности измеряемых сигналов. Дальнейшая обработка сигнала ведется микропроцессорным контроллером, построенным на микропроцессорном наборе 580 cepии. Внешнее управление микропроцессором, съем управляющих кодов и обработанной информации ведется через схему вводавывода, выполненную из трех интерфейсов. Управление блоком индикатора осуществляется при помощи устройства ввода (клавиатуры) на передней панели, которое состыкуется с микропроцессором при помощи интерфейсов I и 3. Обработанная информация высвечивается на экране встроенного дисплея I, который состыкуется с микропроцессором через интерфейс 1. Информация в точке метки выдается на табло индикации. Само табло и

27 схемы управления им состыкуются с микропроцессором через интерфейс I. Для того чтобы исключить мерцание на экране дисплея в нем имеется собственное оперативное запоминающее устройство с произвольной выборкой, позволяющей произвести временное разделение записи и считывания информации . 7 ПОД ГОТОВКА К ПР ОВЕДЕНИЮ ИЗМЕРЕНИЙ 7.1 Соберите рабочее место для измерения характеристик усилителя согласно структурной схеме (рисунок 15). На этом рисунке: A1 – изучаемый усилитель; G1 – блок питания стабилизированный ; G2 – блок питания ГШ; G3 – генератор щума ; P1 – индикатор коэффициента шума Я8Х-273 ; Р2 – преобразователь Я8Х-274; WI – вентиль коаксиальный W2 – аттенюатор 5 дБ; А, Б, В, Г – кабели соединительные высокочастотные; Д – жгут питания. 7.2. При соединении СВЧ соединителей проверьте чистоту контактирующих поверхностей. При необходимости протрите их ватным тампоном, смоченным в спирте. 7.3. Включите все блоки, входящие в состав измерителя и убедитесь в их работоспособности. 7.4. Измерения начинайте только по истечении времени, установления рабочего режима, равного 30 минутам. 7.5. Потери в СВЧ тракте, особенно в участке от выхода ГШ до входа измеряемого объекта, увеличивают погрешность измерения. Поэтому разъемы состыковывайте четко, без перекосов, затяжку гаек делайте крепкой, но без особых усилий. 7.6. Процесс калибровки измерителя заключается в вычислении собственного коэффициента шума измерителя по формуле F = N ГШ

α

α−β

,

(7.1)

где NГШ-СПМШ генератора шума; α и β - измеренные на выходе детектора уровни мощности шумов при включенном и выключенном ГШ соответственно. Процесс измерения заключается в вычислении коэффициента шума объекта измерения по формуле K n = N ГШ

α1

α1 − β

−

F −1 , KP

(7.2)

где α1 и β1 - измеренные на выходе детектора уровни мощности шумов при включенном и выключенном ГШ соответственно;

28

29 Кр - коэффициент усиления объекта измерения по мощности, который вычисляется по формуле KP =

α1 − β1 , α −β

(7.3)

Калибровка измерителя проводится при исключенном из схемы объекте измерения. В режиме измерения объект включается в СВЧ тракт согласно схеме. 7.7. При работе с измерителем необходимо знать, что каждые 15 минут в течение первых 30 минyт после включения, а в дальнейшем каждые 30 минут ИKШ автоматически калибрует встроенный аттенюатор и измеряет сдвиги нуля АЦП. Затем он возвращается в тот режим, в котором находился до калибровки. Для продолжения измерений надо заново прокалибровать измеритель. 7.8 После того, как закончится внутренний тест прибора и на табло установятся постоянные значения Fнач=1000 МГц и Fкон=4000 МГц прибор готов к работе. 8 И З М Е Р Е Н И Е КОЭ ФФИЦИЕНТА ШУМА И КО Э Ф Ф И Ц И Е Н ТА У С И Л Е Н И Я У С И Л И Т ЕЛ Я 8.1 Перед началом работы с помощью преподавателей, методических указаний и инструкции по эксплуатации к прибору составить представление о принципе работы прибора. 1. Выяснить у руководителя работы начальную и конечную частоту измерения усилителя и спектральную плотность мощности шума используемого генератора шума. 2. Включить питание всех измерительных блоков прибора. При включении индикатора коэффициента шума начинает выполняться внутренний тест прибора. Прохождение теста заметно по периодическому включению и выключению цифровых табло индикатора. 3. Дождаться окончания внутреннего теста!!! При этом на цифровых табло "Fнач, МГц " и "Fкон, МГц " показания не должны изменяться. Ввести в память индикатора начальную и конечную частоту измерения в мегагерцах и спектральную плотность мощности шума в единицах kT0. Ввод информации осуществляется по следующему алгоритму: а)с помощью цифровых кнопок вводится числовое значение б)нажимается кнопка "F" в) нажимается кнопка, соответствующая вводимой величине Например, если Fнач = 1200 МГц, Fкон = 2000 МГц спектральная плотность = 5.8, то вводится "1200", "F", "Fнач", "2000", "F", "Fкон", "5.8", "F" и "ГШ1". Контролируйте правильность ввода параметров. Числовые значения при вводе отображаются на табло «ШУМОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ», а после введения в память – на табло «Fнач», «Fкон». В случае, если допущена ошибка при вводе, нажать «Х» и повторить ввод. 4.Собрать тракт для калибровки. Произвести калибровку прибора, для чего нажать "ИКШ", "F", "КАЛ" (вместо маркировки "КАЛ" может быть символ "∇"). Если кнопки "Кр" и "Кn" не включены, включить их. Подождать, пока пройдёт полный цикл калибровки (должна установиться стабильная картина на экране

30 прибора). Перейти в режим измерения, для чего нажать кнопку "ИЗМ"(вместо маркировки "ИЗМ" может быть символ "∩"). В случае правильной калибровки на табло "КОЭФФИЦИЕНТ ПЕРЕДАЧИ" и "ШУМОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ" должны установиться показания, близкие к 1. 5. Включить в измерительный тракт измеряемый усилитель, подать на него питание (если оно ещё не подано) и произвести измерение его коэффициента шума и коэффициента измерения. Цифровые табло прибора показывают параметры измеряемого объекта на частоте метки, индицируемой на табло "МЕТКА, МГц". Перемещение метки производится с помощью кнопок "←" и "→". После установки метки необходимо подождать, пока произойдёт измерение на частоте метки (при этом показания на табло должны мигнуть), а затем считывать показания прибора. 6. Выключить блоки прибора, отсоединить из тракта усилитель. Сообщить руководителю работы об окончании измерений. 9 УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ Р Е З УЛ Ь Т АТ О В При оформлении результатов необходимо выполнить следующее: 1) построить график завимосости коэффициента усиления от частоты Ку[дБ]=F(f)[МГц]; 2) построить граФик зависимости коффициента шума от частоты Ку[дБ]=F(f)[МГц]; 3) вычислить на уровне –2 дБ величину полосы частот усилителя ∆f в абсолютных единицах ∆f=fмакс-fмин[МГц]; 4)вычислить среднюю частоту диапазона частот усилителя fср=(fмакс-fмин)/2; 5) вычислить на уровне –2дБ величину полосы частот усилителя δf в абсолютных единицах δf=(fмакс-fмин[МГц])/ fср*100[%]; 6) определить неравномерность коэффициента усиления в полученном диапазоне частот по формуле ∆Ку=Кумакс-Кумин[дБ]. 10 УКАЗАНИЯ К ОТЧЕТУ Отчет должен содержать: 1) все пункты задания; 2) электрическую схему изучаемого усилителя; 3) структурную схему лабораторной установки; 4) результаты работы в виде таблиц и графиков;

31 5) выводы по работе и оценку полученных результатов (письменно). 11 КО Н Т Р ОЛ Ь Н Ы Е В О П Р О С Ы 1. Какие параметры транзистора являются исходными для расчета усилителя ? 2. Нарисуйте структурную схему простейшего СВЧ усилительного каскада. 3. Напишите и проанализируйте выражения для коэффициента усиления и коэффициента устойчивости. 4. Каким образом решаются вопросы согласования ? 5. Как обеспечивается режим работы транзистора по постоянному току ? 6. Какие параметры транзистора используются для разработки СВЧ усилителей? 7. Дайте понятие о внешних параметрах транзисторов 8. Как определить коэффициент усиления через внешние параметры ? 9. Проанализируйте условие безусловной устойчивости транзистора. 10. Объясните принцип действия изучаемого усилителя по его схеме. 11. Объясните принцип действия приборов, входящих в установку и методику измерений. 12. Объясните полученные результаты измерений.

32 ЛИТЕРАТУРА 1. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления; Пер. с англ./Под ред. Д.В.Ди Лоренцо, Д.Д Канделуола. -М.: Радио и связь, 1988, - 496 с. 2. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи /Л.Г.Гассанов, А.А.Липатов, В.В.Марков, Н.Д.Могильченко. - М.:Радио и связь,1988. - 288 с. 3. Шварц Н.З. Усилители СВЧ на полевых транзисторах. –М.: Радио и связь, 1987. - 200 с. 4. Сверхширокополосные усилители СВЧ на полевых транзисторах с барьером Шоттки. Обз. по электронной технике Сер. I. Электроника СВЧ / С.П.Иванов, Е.Г.Ливанская, Н.П.Ни, Г.Е.Ровенский, Э.И. Рыжик, Т.П.Садчикова. –М.: ЦНИИ "Электроника". - 1987. - Вып.16 (1306). - 34 С. 5. Транзисторные усилители СВЧ диапазона. Обз. по электронной технике. Сер. I. Электроника СВЧ /В.С.Савельев. –М.: ЦНИИ "Элект-роника". 1978.. - Вып. 5 (617). - 51 с. 6. Колосов М.В., Перегонов С.А. СВЧ генераторы и усилители на полупроводниковых приборах. –М.:Сов.радио, 1974.-80с. 7. Микроэлектронные устройства СВЧ:Учебное пособюие для радиотехнических специальностй ВУЗов /Г.Н. Веселов, Е.Н.Егоров, Ю.Н.Алехин и др.; Под ред. Г.Н.Веселова –М.: Высшая школа, 1988-280с. 8. Smith P.M. Status of InP HEMT Technology for Microwave Receiver Applications/ IEEE Trans. on MTT, v. 44, № 12, Dec 1996, pp.2328-2333. 9. Крейнгель Н.С. Шумовые параметры радиоприемных устройств. – Л.: Энергия; 1969. – 168с.