View
19
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Curs 92015/2016
2C/1L, DCMR (CDM) Minim 7 prezente (curs+laborator) Curs - sl. Radu Damian Marti 18-20, P2
E – 60% din nota
probleme + (2p prez. curs)▪ 3p=+0.5p
toate materialele permise Laborator – sl. Radu Damian Miercuri 8-14 impar (14.10.2015 – prez. obligatorie)
L – 25% din nota
P – 15% din nota
0 dBm = 1 mW
3 dBm = 2 mW5 dBm = 3 mW10 dBm = 10 mW20 dBm = 100 mW
-3 dBm = 0.5 mW-10 dBm = 100 W-30 dBm = 1 W-60 dBm = 1 nW
0 dB = 1
+ 0.1 dB = 1.023 (+2.3%)+ 3 dB = 2+ 5 dB = 3+ 10 dB = 10
-3 dB = 0.5-10 dB = 0.1-20 dB = 0.01-30 dB = 0.001
dB = 10 • log10 (P2 / P1) dBm = 10 • log10 (P / 1 mW)
[dBm] + [dB] = [dBm]
[dBm/Hz] + [dB] = [dBm/Hz]
[x] + [dB] = [x]
Adaptarea de impedanţa
Im Γ
Re Γ
|Γ|=1
+1
+1
-1
-1
|Γ|
θ=arg Γ
Re Γ+1
+1
-1
-1
Im Γ
je
ir j |Γ|=1
608.0
sincos j
608.0
r
i
693.04.0608.0 j
4.060cos8.0 r
693.060sin8.0 i
4.060cos8.0 r
693.060sin8.0 i
Re Γ
+1
+1
-1
-1
rL mare
rL mic
rL = 1
Im Γ
Re Γ
+1
+1
-1
-1
xL < 0
xL > 0
xL = 0
Im Γ
Re Γ
+1
+1
-1
-1
rL
xL
Im ΓLLL xjrz
|Γ|=1 608.0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
|Γ|
0°
45°
90°
135°
180°
225°
270°
315°
65.1429.0 jzL
rL=0.429
xL=+1.65
(oricare Z0)
1
1
0
0
L
L
L
L
z
z
ZZ
ZZ
608.01
608.01
1
1Lz
693.04.0608.0 j
|Γ|=1 608.0L
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0°
45°
90°
135°
180°
225°
270°
315°
V0
Z0 ZL
Adaptare ZL la Z0.
Trebuie sa deplasez coeficientulde reflexie in zona in care pentrugenerator cu Z0 am:
ΓLΓ0
00
m0
adaptare perfecta
adaptare "suficienta"
Adaptarea cu elemente concentrate (Retele in L)
Adaptarea cu sectiuni de linii (stub)
stub=rest, ciot, cotor, capăt Se evita utilizarea elementelor concentrate Se realizează (foarte precis) utilizând liniile de
transmisie uzuale ale circuitului Se utilizează secţiuni de linie (stub-uri) in
serie sau paralel care pot fi: in gol
scurtcircuitate De obicei liniile in gol sunt mai ușor de
implementat si sunt preferate
Shunt Stub (sectiune de linie in paralel)
0.20.51.0
+0.2
+0.5
+1.0+2.0
-0.2
-0.5
-1.0-2.0
2.00°
90°
135°
225°
270°
V0
Z0
YL
ΓLΓ0
315°
180°
|Γ|=1
45°
j·B1
1ingLin
V0
Z0 ZL
ΓLZin,Γ0Z0,β·l
111.0
360
401l
094.0
360
342l
260.0
360
5.931l
406.0
360
1462l
Se alege una din cele 8 solutii posibileconvenabila tinand cont de:
realizabilitate fizica (conform tehnologiei de linieutilizata)
Dezavantaj:
lungimea sectiunii de linie serie e variabila
Microstrip
h
w
Coplanar
w1
w2
e r
Coaxial
b
a
Waveguide
h
w
Preview (pentru laborator 3-4)
Caracterizare cu parametri S Normalizati la Z0 (implicit 50Ω) Cataloage: parametri S pentru anumite
polarizari
Fisiere format Touchstone (*.s2p)
! SIEMENS Small Signal Semiconductors! VDS = 3.5 V ID = 15 mA# GHz S MA R 50! f S11 S21 S12 S22! GHz MAG ANG MAG ANG MAG ANG MAG ANG1.000 0.9800 -18.0 2.230 157.0 0.0240 74.0 0.6900 -15.02.000 0.9500 -39.0 2.220 136.0 0.0450 57.0 0.6600 -30.03.000 0.8900 -64.0 2.210 110.0 0.0680 40.0 0.6100 -45.04.000 0.8200 -89.0 2.230 86.0 0.0850 23.0 0.5600 -62.05.000 0.7400 -115.0 2.190 61.0 0.0990 7.0 0.4900 -80.06.000 0.6500 -142.0 2.110 36.0 0.1070 -10.0 0.4100 -98.0! ! f Fmin Gammaopt rn/50! GHz dB MAG ANG -2.000 1.00 0.72 27 0.844.000 1.40 0.64 61 0.58
[S]
0
0
ZZ
ZZ
L
LL
0
0
ZZ
ZZ
S
SS
2
2
V
VL
2121112121111 VSVSVSVSV L
2
1
2221
1211
2
1
V
V
SS
SS
V
V
2221212221212 VSVSVSVSV L
similar
L
Lin
S
SSS
V
V
22
211211
1
1
1
2121112121111 VSVSVSVSV L
2221212221212 VSVSVSVSV L
S
Sout
S
SSS
V
V
11
211222
2
2
1
C2
L
Lin
S
SSS
V
V
22
211211
1
1
1 0
0
ZZ
ZZ
in
inin
in
inS
inS VVVZZ
ZVV
11111
22
1
0
12
1inin V
ZP
2
2
2
0
2
11
1
8in
inS
SSin
Z
VP
inS
SSVV
1
1
21
22
2
0
12
1LL V
ZP
2221212221212 VSVSVSVSV L LS
VSV
22
1212
1
2
2
22
2
21
0
2
11
12L
L
LS
S
Z
VP
2
2
2
22
22
21
0
2
1
1
1
1
8inS
S
L
LSL
S
S
Z
VP
Puteri
2
2
2
0
2
11
1
8in
inS
SSin
Z
VP
2
2
2
22
22
21
0
2
1
1
1
1
8inS
S
L
LSL
S
S
Z
VP
Puterea disponibila de la sursa
2
2
0
2
1
1
8*
S
SSinSav
Z
VPP
Sin
Puterea disponibila la sarcina
22
11
22
21
0
2
11
1
8*
outS
SSLLav
S
S
Z
VPP
outL
Castigul de putere
2
22
2
22
21
11
1
Lin
L
in
L
S
S
P
PG
Castigul introdus efectiv de amplificator estemai putin important deoarece un castig maimare poate fi insotit de o scadere a puterii de intrare (absorbita efectiv de la sursa)
Se prefera caracterizarea efectuluiamplificatorului prin analiza puterii efectivobtinuta pe sarcina in raport cu putereadisponibila de la sursa (constanta)
SPP LinSinin ,,
SPP LinSLL ,,
Castigul de putere disponibil 22
22
22
21
11
1
outL
S
Sav
Lav
A
S
S
P
PG
Castigul de putere de transfer (transducer power gain)
2
22
2
222
21
11
11
LinS
LS
Sav
LT
S
S
P
PG
Castigul de putere de transfer unilateral
2
22
2
2
11
22
211
1
1
1
L
L
S
STU
SSSG
012 S
Permite tratarea separataa intrarii si iesirii
Linin
11Sin
marimi care intereseaza: stabilitate castig de putere zgomot (uneori – semnal mic) liniaritate (uneori – semnal mare)
C7 ir j 22
22
1
1
ir
irLr
irin j
010Re 22 irinZ
instabilitate1in
1in 11 22
211211
L
L
S
SSS
stabilitate, Zin conditii ce trebuie indeplinite de ΓL pentru a
obtine stabilitatea (la intrare)
similar Zout conditii ce trebuie indeplinite de ΓS pentru a
obtine stabilitatea (la iesire)
inZ
Obtinem conditiile ce trebuie indeplinite de ΓL pentru a obtine stabilitatea
1in1
1 22
211211
L
L
S
SSS
1out 11 11
211222
S
S
S
SSS
Obtinem conditiile ce trebuie indeplinite de ΓS , ΓL pentru a obtine stabilitatea
Determinantul matricii S
1in1
1 22
211211
L
L
S
SSS
LLL SSSSS 2221122211 11
21122211 SSSS
LL SS 2211 1
Limita de stabilitate/instabilitate
1in1
1 22
211211
L
L
S
SSS
2
22
2
11 1 LL SS
2
22
2
11 1 LL SS
LLLLLL SSSSSS 22**
22
22
2211***
11
222
11 1
2* aeaeaaa jj
**22***2babababababababa
12
11*
11**
22*1122
*22
22 SSSSSS LLLL
22
22
2
11
22
22
*11
**22
*1122* 1
S
S
S
SSSS LLLL
222
22
2*1122
S
SS
222
22
2*1122
22
22
2
11
2
22
22
**1122
1
S
SS
S
S
S
SSL
Re Γ
+1
+1
-1
-1
x0
y0
R
220
20 Ryyxx
Im Γ 22
22
2112
22
22
**1122
S
SS
S
SSL
R 0
Γ0R 0
Ecuatia unui cerc, care reprezinta loculgeometric al punctelor ΓL pentru limita de stabilitate
Cercul se numeste cerc de stabilitate la iesire (ΓL)
22
22
2112
22
22
**1122
S
SS
S
SSL
22
22
**1122
S
SSCL 22
22
2112
S
SSRL
LLL RC
Similar
Ecuatia unui cerc, care reprezinta loculgeometric al punctelor ΓS pentru limita de stabilitate
Cercul se numeste cerc de stabilitate la intrare (ΓS)
1out
11 11
211222
S
S
S
SSS
22
11
**2211
S
SSCS 22
11
2112
S
SSRS
Cercul de stabilitate la iesire reprezinta loculgeometric al punctelor ΓL pentru limita de stabilitate (|Γin|=1)
Cercul imparte planul complex in douasuprafete, interiorul si exteriorul cercului
Cele doua suprafete vor reprezenta zonele ΓL
de stabilitate (|Γin|<1) / instabilitate (|Γin|>1)
Doua cazuri: (a) exterior stabil / (b) interior stabil
Identificarea zonelor de stabilitate / instabilitate Centrul diagramei Smith: in coordonate polare
corespunde lui ΓL = 0
Coeficientul de reflexie la intrare
Decizia se poate lua in functie de valoarea pe care o are |S11| si de pozitia centrului diagramei Smith fata de cercul de stabilitate
L
Lin
S
SSS
22
211211
1110
SL
in 110
SL
in
Cerc de stabilitate la iesire
|S11| < 1 centrul diagramei pe care se reprezinta ΓL
este punct stabil, se gaseste in zona stabila (cel mai des)
|S11| > 1 centrul diagramei pe care se reprezinta ΓL
este punct instabil, se gaseste in zona instabila
Cerc de stabilitate la intrare
|S22| < 1 centrul diagramei pe care se reprezinta ΓS
este punct stabil, se gaseste in zona stabila (cel mai des)
|S22| > 1 centrul diagramei pe care se reprezinta ΓS
este punct instabil, se gaseste in zona instabila
ATF-34143 at Vds=3V Id=20mA. @5GHz
S11 = 0.64139°
S12 = 0.119-21°
S21 = 3.165 16°
S22 = 0.22 146°
Parametri S
S11 = -0.483+0.42·j
S12 = 0.111-0.043·j
S21 = 3.042+0.872·j
S22 = -0.182+0.123·j
| S11 | < 1 | S22 | < 1 |CL| < RL 0CSOUT |CS| > RS 0CSIN
j
S
SSCL
897.0931.3
22
22
**1122
891.422
22
2112
S
SSRL
032.4LC
j
S
SSCS
265.1871.1
22
11
**2211
325.122
11
2112
S
SSRS
259.2SC
Variatii foarte mari ->logaritmic
log10|Γin|, log10|Γout|
|Γ| = 1 log10|Γ| = 0, intersectia = cerc
log10|Γin| = 0, ΓL, CSOUTlog10|Γin| = 0,|Γin| = 1
log10|Γout| = 0, ΓS, CSINlog10|Γout| = 0,|Γout| = 1
Stabil
Instabil NeconditionatStabil
DSDS
CS CS
Stabil
Instabil
NeconditionatStabil
DS
CS
DS
CS
Stabil
Instabil
DS
CS Stabil
Instabil
DS
CS
Stabilitatea necondiţionată: circuitul este necondiţionat stabil dacă |Γin|<1 şi |Γout|<1pentru orice impedanţă pasivă a sarcinii şisursei
Stabilitatea condiţionată: circuitul este condiţionat stabil dacă |Γin|<1 şi |Γout|<1 doarpentru un anumit interval de valori pentruimpedanţa pasivă a sarcinii şi sursei
Stabilitatea neconditionata se obtine daca: Cercul de stabilitate este disjunct cu diagrama Smith
(exterior) si zona stabila e exteriorul cercului
Cercul de stabilitate contine in intregime diagramaSmith si zona stabila e interiorul cercului
O conditie obligatorie pentru obtinereastabilitatii neconditionate este |S11| < 1 (CSOUT) sau |S22| < 1 (CSIN)
Matematic:
1
1
11S
RC LL
1
1
22S
RC SS
Utile pentru analiza de banda larga Stabilitatea nu e suficient sa fie apreciata
doar la frecventele de lucru
e necesar sa avem stabilitate pentru ΓL si ΓS alesela orice frecventa
Diportul este neconditionat stabil daca: Sunt indeplinite simultan conditiile K > 1
|Δ| < 1 Sunt valabile si conditiile implicite |S11| < 1
|S22| < 1
21122211 SSSS
2112
22
22
2
11
2
1
SS
SSK
12
1
2112
22
22
2
11
SS
SSK 121122211 SSSS
Conditia Rollet depinde de doi parametri, K si Δ, si nu poate fi utilizata pentru comparareastabilitatii a doua scheme
11
21121122
2
11
SSSS
S
Diportul este neconditionat stabil daca: μ > 1
Sunt valabile si conditiile implicite |S11| < 1 |S22| < 1
In plus se poate spune ca daca μ creste se obtine stabilitatemai buna
ATF-34143 at Vds=3V Id=20mA. @0.510GHz
ATF-34143 at Vds=3V Id=20mA. @0.510GHz Neconditionat
Stabil
ConditionatStabil
ATF-34143 at Vds=3V Id=20mA. @0.510GHz Neconditionat stabil pentru f > 6.31GHz
Stabilitatea neconditionata pentru un interval larg de frecvente are avantaje importante Ex: pot proiecta cu ATF 34143 un amplificator stabil
(conditionat) la 5GHz, dar acest lucru este inutil dacaapar oscilatii la 500MHz (μ≈0.1)
Minimul necesar in conditii de lucru cu stabilitateconditionata este sa se verifice stabilitatea la frecvente inafara benzii
Stabilitatea neconditionata poate fi fortata prinintroducerea de elemente rezistive in serie/paralel la intrare si/sau iesire
RsminRsmin
85.150037.0minsR
Rpmax
Gpmin
min
max
1
p
pG
R
367.4502.0226.0026.0
1
j
j
6.99502.0
50maxpR
Procedura se poate aplica similar la iesire(plecand de la CSOUT)
Din exemplele anterioare, incarcarea rezistivala intrare are efect pozitiv si asupra stabilitatiila iesire si viceversa (incarcare la iesire efectasupra stabilitatii la intrare)
Rsmin Rpmax
Efect negativ asupra castigului trebuie urmarit MAG/MSG in timpul proiectarii
Efect negativ asupra zgomotului (va urma) Se poate alege una din cele 4 variante care ofera
performante mai bune (in functie de aplicatie) Se pot realiza cu elemente de pasivizare selective in
frecventa Ex: Circuite RL, RC sacrifica performanta doar unde este
necesar sa se imbunatateasca stabilitatea fara afectareafrecventelor la care dispozitivul e deja stabil
E posibil ca aceste efecte sa apara automat ca urmarea elementelor parazite ale circuitelor de polarizare(capacitati de decuplare, socuri de radiofrecventa)
Rs = 2Ω K = 1.008, MAG = 13.694dB @ 5GHz
fara stabilizare K = 0.886, MAG = 14.248dB @ 5GHz
Rp = 90Ω K = 1.013, MAG = 13.561dB @ 5GHz
fara stabilizare K = 0.886, MAG = 14.248dB @ 5GHz
Castigul amplificatoarelor de microunde
Castig maxim de putere se obtine cand
Pentru retele de adaptare fara pierderi
Pentru tranzistor bilateral (S12 ≠ 0) Γin si Γout se influenteaza reciproc deci adaptarea trebuie safie simultana
*Sin *
Lout
2
22
2
222
21max
11
11
LinS
LST
S
SG
2
22
22
212max1
1
1
1
L
L
S
TS
SG
Aflam ΓS
L
Lin
S
SSS
22
211211
1 S
Sout
S
SSS
11
211222
1
L
LS
S
SSS
22
211211
*
1 S
SL
S
SSS
11
211222
*
1
*22
*
*21
*12*
111 S
SSS
L
S
S
SL
S
S
11
22*
1
*21
*12
2
22*22
*1111
*22
22
221 SSSSSSSS SSS
22*21
*12
2
22*11 1 SSSSS
Ecuatie de gradul 2
Similar
Cu variabilele
2*21
*12
*22
*11 SSSS
01 22**
11
2
22
2
11
2*2211
2 SSSSSS SS
1
2
1211
2
4
C
CBBS
2
2
2222
2
4
C
CBBL
*22111
22
22
2
111 1
SSC
SSB
*11222
22
11
2
222 1
SSC
SSB
Este posibila daca
042
121 CB 04
2
222 CB
2*21
*12
*22
*11 SSSS
22
11
2
22
2
21
2
12
2*2211
2
1 1 SSSSSSC
222
22
22
11
2
121 14 SSCB
22
22
2
22
2
2112
22
22
2
11 14412 SSSSSS
222
22
22
11
2
121 14 SSCB
2
2112
22
22
2
11
22
22
2
11 41244 SSSSSS
Similar
2
2112
22
22
2
11
222
22
22
11
2
121 41214 SSSSSSCB
2
2112
222
22
2
11
2
121 414 SSSSCB
2
2112
2
2112
2
121 424 SSSSKCB
144 22
21
2
12
2
121 KSSCB
144 22
21
2
12
2
222 KSSCB
222
22
22
11
2
121 14 SSCB
2
2112
22
22
2
11
22
22
2
11 41244 SSSSSS
Necesar pentru solutii
1
2
1211
2
4
C
CBBS
2
2
2222
2
4
C
CBBL
1S 1L
121122211 SSSS
0
0
2
1
B
B
12
1
2112
22
22
2
11
SS
SSK
0144
0144
22
21
2
12
2
222
22
21
2
12
2
121
KSSCB
KSSCB
Adaptarea simultana se poate realiza numaipentru amplificatoarele neconditionatstabile la frecventa de lucru, si solutia cu |Γ|<1 se obtine cu semnul –
1
2
1211
2
4
C
CBBS
2
2
2222
2
4
C
CBBL
*22111
22
22
2
111 1
SSC
SSB
*11222
22
11
2
222 1
SSC
SSB
In conditiile adaptarii simultane se obtinecastigul de transfer maxim pentru tranzistorulbilateral
Daca dispozitivul nu este neconditionat stabilse poate folosi ca o indicatie a capacitatii de amplificare castigul maxim stabil (Maximum Stable Gain)
12
12
21max KK
S
SGT
12
21
S
SGMSG
Indicator in intreaga gama de frecventa a capacitatii de a obtine castig
[dB]
log(f)
GMSG
K< 1 K≥ 1
GMAG = GT max
MAG MSG
curba e continua
MSGKT GS
SG
12
21
1max
neconditionat stabil, adaptare simultana posibila
conditionat stabil, adaptare simultana imposibila
Daca amplificatorul/tranzistorul esteunilateral (S12 = 0) adaptarea simultanaimplica:
11Sin 22Sout *11SS *
22SL
2
22
22
212max1
1
1
1
L
L
S
TS
SG
2
22
2
212
11
max1
1
1
1
SS
SGTU
ATF-34143 at Vds=3V Id=20mA.
fara stabilizare K = 0.886, MAG = 14.248dB @ 5GHz
nu poate fi folosit in aceasta polarizare
ATF-34143 at Vds=4V Id=40mA
fara stabilizare K = 1.031, MAG = 12.9dB @ 5GHz
utilizam aceasta polarizare pentru a implementaun amplificator
ATF-34143 at Vds=4V Id=40mA. @5GHz
S11 = 0.64111°
S12 = 0.117-27°
S21 = 2.923 -6°
S22 = 0.21 111°
Parametri S
S11 = -0.229+0.597·j
S12 = 0.104-0.053·j
S21 = 2.907-0.306·j
S22 = -0.075+0.196·j
dB9.12497.1912
12
21max KK
S
SGT
dB8.11139.151
1
1
12
22
2
212
11
max
S
SS
GTU
1
2
1211
2
4
C
CBBS
2
2
2222
2
4
C
CBBL
*22111
22
22
2
111 1
SSC
SSB
*11222
22
11
2
222 1
SSC
SSB
529.0277.0
207.1
1
1
jC
B
013.0222.0
476.0
2
2
jC
B
768.0403.0 jS 04.0685.0 jL
1867.0 S 1686.0 L
0.20.51.0
+0.2
+0.5
+1.0+2.0
-0.2
-0.5
-1.0-2.0
2.00°
90°
135°
225°
270°
V0
Z0
YL
ΓLΓ0
315°
180°
|Γ|=1
45°
j·B1
1ingLin
V0
Z0 ZL
ΓLZin,Γ0Z0,β·l
linie serie
lungime electrica E=β·l=θ
muta coeficientul de reflexie pe cercul g=1
stub paralel mutacoeficientul de reflexiein centrul diagrameiSmith
V0
Z0 Γ0=1 Z0,θ ΓS
j·B
ΓS(θ)
jSS e2
500
0
SSS
S YZYY
Yy
622.1263.01
1
jy
S
SS
jS
jS
S
SS
e
ey
2
2
1
1
1
1
Dupa sectiunea de linie cu lungimea electrica θ
1Re Sy ByS Im
*
2
1Re SSS yyy *
2
1Im SSS yy
jy
j
S
jS
jS
jS
Se
e
e
ey
2*
2*
2
2
1
1
1
1
2
1Re j
SS e
22
2222
11
1111
2
1Re
jS
jS
jS
jS
jS
jS
See
eeeey
2cos21
22
2
1Re
2
2
SS
SSy 1Re Sy
S 2cos
Ecuatia pentru calcularea θ
doua solutii posibile, normate la intervalul 0180°
1Re Sy S 2cos
jSS e 7.117867.0S
7.117;867.0 S
180cos2
1360cos
2
1 11 kk SS
Nk
867.02cos 1.1502
1.150
1.15027.117
8.1631802.16
9.133
Ecuatia pentru calcularea stub-ului paralel
1Re Sy S 2cos
j
S
jS
jS
jS
Se
e
e
e
jy
2*
2*
2
2
1
1
1
1
2
1Im j
SS e
22
2222
11
1111
2
1Im
jS
jS
jS
jS
jS
jS
See
eeee
jy
2cos21
2sin2
2cos21
22
2
1Im
22
22
SS
S
SS
jS
jS
S
ee
jy
2
1
2sin2Im
S
SSy
S 2cos
Ecuatia pentru calcularea stub-ului paralel
doua situatii
21
2sin2Im
S
SSy
S 2cos 212sin S
2
1
2Im
S
SSy
02sin]180,0[2
212sin S
2
1
2Im
S
SSy
02sin)0,180(2
212sin S
2
1
2Im
S
SSy
Se prefera (pentru microstrip) stub in gol
Susceptanta raportata introdusa pentruadaptare
lZjZ gin cot0,
S
gin
ginyl
Z
Z
Y
Yb ImtanImIm
,
0
0
,
2
1
1
2tan
S
Ssp l
Se alege una din cele doua solutii posibile Similar pentru adaptarea la iesire
8.163
9.133
1.150
1.1502
477.3
477.3Im Sy
74
10618074sp
7.176686.0L 1Re Ly L 2cos
3.133
3.13327.176
25180155
3.1581807.21
885.1
1
2Im
2
L
LLy
1.62
9.1171801.62sp
0.25
3.158
3.133
3.1332
885.1
885.1Im Sy
1.62
9.117sp
Laboratorul de microunde si optoelectronica http://rf-opto.etti.tuiasi.ro rdamian@etti.tuiasi.ro
Recommended