Моделювання розрахованого підсилювача потужності

Моделювання підсилювача потужності складається з наступних етапів:

створення проекту, вибір транзистора та отримання його S-параметрів;

отримання частотної залежності коефіцієнта стійкості транзистора у заданому диапазоні частот;

отримання частотних залежностей коефіцієнтів передачі (підсилення);

визначення коефіцієнтів відбиття у площині транзистора та вхідного й вихідного опорів транзистора;

- визначення областей стійкості транзистора;

оптимізація розрахованих кіл узгодження транзистора;

- отримання вольт-амперних характеристик транзистора;

розрахунок характеристик підсилювача.

Розглянемо їх.

Створення проекту, вибір транзистора та отримання його S-параметрів. Відкривши програму Microwave Office та виконавши команду File/New Project і File/Save Project As, створіть новий проект. Далі виконайте команду Project/Add Schematic/New Schematic… (чи у вікні перегляду проекту на вкладинці Proj виділіть рядок Circuit Schematics, натисніть праву кнопку миші та виконайте команду New Schematic) для створення вікна редактора принципової схеми з назвою, що необхідно буде ввести у діалозі Create New Schematic.

Тепер можна перейти до вибору транзистора підсилювача. Розкрийте вкладкуElem вікна менеджера проекту, де знаходяться бібліотеки радіоелементів та з яких збираються принципові схеми радіопристроїв. Вибрати транзистор з придатними параметрами для підсилювача можна у теці Data бібліотеки. Вона містить елементи різних фірм виробників, що підключаються додатково після встановлення програми Microwave Office. При виборі зверніть увагу на те, що у теці Data знаходяться лінійні моделі елементів (описуються S параметрами). Для того, щоб можна було повноцінно промоделювати транзисторний підсилюючий каскад, у теці Library\Nonlinear\«фірма виготовник» повинна бути нелінійна модель вибраного транзистора.

Існує варіант, коли користувач програми бажає для моделювання вибрати транзистор з теки Library, а у теці Data немає його S параметрів. У такому випадку можна знайти частотні залежності цих параметрів в інших джерелах та власноручно ввести їх в програму у вигляді спеціального файла [29].

Вибравши транзистор, перетягніть його з теки Data у поле редактора електричної схеми. Тепер на вкладинці Proj менеджера проекту можна подивитись деякі його параметри. Для цього наведіть курсор на рядок з назвою транзистора, що розташован нижче рядка з назвою проекту , та двічі натисніть ліву кнопку миші. На робочому столі з‘явиться вікно з таблицею частотної залежності S параметрів (модуля MAG та аргумента ANG), деякими електричними пареметрами (наприклад, граничною напругою колектор-емітер VCE, струмом колектора IC) та ін. У стовпці f GHz можна побачити граничну частоту транзистора, але вікно не містить повної інформації щодо електричних параметрів, наприклад максимальної вихідної потужності транзистора. Тому для отримання усіх необхідних електричних параметрів транзистора при розрахунку підсилювача слід скористатись або «довідниковим виданням», або деякі з них отримати шляхом моделювання у Microwave Office.

Незважаючи на те, що у відкритому вище вікні ми бачили необхідні для розрахунків S параметри, часто для «ручного розрахунку» потрібні їхні представлення не у вигляді модуля та аргумента, а у вигляді дійсної та уявної частин. Для того, щоб не робити перерахунок однієї форми представлення в іншу вручну, можна вивести ці значення у вигляді таблиць. На вкладинці Proj менеджера проекту виділіть елемент Graphs, натисніть праву кнопку миші та виберіть Add Graph…. У діалозі Create Graph, що відкрився, введіть ім‘я таблиці (наприклад, Tab S param) та виберіть опцію Tabular. До оболонки таблиці, що з‘явиться, необхідно додати параметри, що нас цікавлять. Тобто, виділивши Tab S param на вкладинці Proj, натисніть знову праву кнопку миші та виберіть команду Add Measurement…. Далі у вікні Add Measurement to ‘…’ для побудови дійсної частини S₁₁ параметра необхідно вибрати наступні опції: Meas. Type – Port parameters; Measurement – S; Data Source Name имя транзистора (наприклад, R410V22M); To port index – 1; From port index – 1; Complex modifier – Real. Результати з‘являться у таблиці після виконання розрахунків за командою Simulate\Analyze . Для отримання у таблиці частотної залежності уявної частини S₁₁ необхідно повторити ті ж самі дії, що і раніше (починаючи з команди Add Measurement…), але у опціїComplex modifierвстановити Imag. Виведення значень інших параметрів S₁₂, S₂₁, S₂₂ здійснюється таким самим чином, що і S₁₁, змінюються лише опціїTo port index та From port index.

Зверніть увагу, що програма у таблицю виводить значення S параметрів тільки на тих частотах, які були представлені у «довідковому файлі» транзистора (рис. 2.2.а). Якщо серед них немає параметрів на частотах, що нас цікавлять, необхідно зробити інакше. У вікні редагування електричної схеми до нашого транзистора підключити на вхід та вихід два порти (Schematic\Add Port – елемент, яким позначають вхідні та вихідні клеми електричної схеми та який може бути як навантаженням, так і джерелом сигналу) (рис. 2.2.б). Після цього необхідно встановити частоти(у) розрахунку. Це можна зробити на вкладинці Frequency Values вікна Project Options, що викликається або командою Options/Project Options…, або подвійним натисканням лівої кнопки миші навевши курсор на рядок Project Options у вкладинці Proj вікна перегляду проекту. Не забудьте після введення значень діапазону частот (Start та Stop) і кроку збільшення частоти (Step) натиснути кнопку Apply. Значення частот, на яких буде моделюватися схема, відображаються у вікні Current Range (рис. 2.2.в).

а) б)

в)

Рисунок 2.2 – Таблиця S параметрів (а), схема транзистора з портами (б) та діалог встановлення частот розрахунку(в) у програмі Microwave Office

Зробивши це, можна переходити до побудови таблиці. Дії при додаванні характеристик в оболонку таблиці остаються тими самими, за винятком параметра Data Source Name, де вказується ім‘я схеми транзистора з портами (рис. 2.2.б). Крім отримання S параметрів у числовому вигляді для наочної оцінки поведінки цих параметрів бажано також побудувати графіки їхніх частотних залежностей. Може виявитись, що вибраний транзистор має на робочих частотах аномальні значення S параметрів – великі провали чи сплески значень, порівняно зі значеннями на сусідніх частотах. Це може призвести до нестабільної работи проектованого пристрою. Будуються графіки таким же чином, як і таблиці, за винятком того, що у діалозі Create Graph вибирається не Tabular, а опціяRectangular.

Отримання частотної залежності коефіцієнта стійкості транзистора. При розрахунку транзисторного підсилювача ультрависоких та надвисоких частот слід звертати увагу на забезпечення його стійкості. Стійкість підсилювача визначається S параметрами транзистора та опорами, на які він навантажений. На порівняно низьких частотах транзистор має виражені невзаємні властивості та підсилювач на такому елементі працює стало. У діапазоні НВЧ транзистор значною мірою втрачає властивість невзаємності через наявність паразитних зворотних зв‘язків (як внутрішніх, так і зовнішніх), тому при деяких опорах джерела сигналу та навантаження у площині транзистора підсилювач може перейти у режим самозбудження. Тому у теорії проектування підсилювачів ультрависоких і надвисоких частот вводять поняття безумовної (чи абсолютної) та умовної стійкості підсилювача [6, 11]. Так, підсилювач вважається безумовно стійким у заданому діапазоні частот, якщо він не збуджується у цьому діапазоні при будь-яких опорах пасивних зовнішніх навантажень. Якщо існують навантаження, здатні привести підсилювач до самозбудження, то він є умовно стійким (чи потенційно стійким, чи потенційно нестійким). «Стійкість чи нестійкість» транзистора крім усього іншого суттєво позначається на підсилюючих та шумових характеристиках підсилювача потужності.

Таким чином, спочатку після вибору транзистора за його характеристиками, використовуючи відомі його S параметри, розраховують коефіцієнт стійкості k _у. Якщо k _у<1 підсилювач потенційно нестійкий, в результаті чого треба вибрати інший транзистор чи стабілізувати його на заданих частотах (спосіб стабілізування транзистора за допомогою додаткового опору, який змінює S параметри нелінійного елемента наведений у [10]). Якщо k _у>1 перевіряють, чи виконуються інші умови стійкості для подальшого проектування каскаду [6, 10]. Тому, на наступному кроці аналізу підсилювача за допомогою Microwave Office треба визначити характеристики, пов‘язані зі стійкістю транзистора та деякі інші його залежності, що впливають на роботу підсилювача.

Отримаємо частотну залежність коефіцієнта стійкості. Для цього треба побудувати оболонку графіка Rectangular та додати до неї характеристику з наступними параметрами: Meas. Type – Linear; Measurement – K; Data Source Name ім‘я обраного транзистора. Після виконання команди моделювання характеристики Simulate\Analyze , нанесіть на графік маркери, що позначають частотні границі області безумовної стійкості та значення k _у на робочій частоті. Додавання маркерів відбувається після активізації вікна графіка, натиснення правої кнопки миші та виконання команди Add Marker (або за командою загального меню програми Graph\Marker\Add Marker), після чого натисненням лівої кнопки миші маркер встановлюється на кривій. Фіксуючи трикутну точку маркера на кривій натисненням тієї ж лівої кнопки миші, маркер можна зсунути на інше місце характеристики.

Взагалі, для полегшення аналізу отриманих при моделюванні результатів рекомендується встановлювати маркери на усіх графіках. Бажано також за допомогою діалогу редагування зображення графіків (викликається командою Graph\Properties… ) наносити назви та одиниці вимірювання на осі, встановлювати більш щільну сітку та робити пояснювальні написи російською мовою.

Отримання коефіцієнтів передачі. Після з‘ясування стійкості обраного транзистора на робочій частоті можна встановити його максимальний номінальний та реалізований коефіцієнти передачі потужності (коефіцієнти підсилення). Будуються частотні залежності цих характеристик транзистора в Rectangular оболонці з встановленням наступних опцій: Meas. Type – Linear Gain; Measurement – GMAX; Data Source Name ім‘я створеної раніше при отриманні S параметрів схеми з двома портами (рис. 2.2.б); Result type – DB (виведемо характеристики у дБ). Реалізований коефіцієнт передачі додайте на цей же графік. При цьому встановіть ті ж самі опції за винятком опції Measurement, де виберіть GT.

Визначення коефіцієнтів відбиття у площині транзистора та вхідного й вихідного опорів транзистора. Відзначимо, що максимальний коефіцієнт підсилення потужності безумовно стійкого підсилювача виходить при одночасному узгодженні на вході та виході транзистора. Тому для розрахунку кіл узгодження транзистора, при яких реалізується режим двостороннього узгодження (режим максимального коефіцієнта підсилення), необхідно знати коефіцієнти відбиття від входів транзистора та вхідний і вихідний опори у площині транзистора. Для отримання цих характеристик спершу у діалозі Project Options на вкладинці Frequency Values встановіть центральну робочу частоту підсилювача. Далі додайте по команді Add Graph… оболонку графіка Smith Chart (це так звана діаграма Вольперта-Сміта, чи діаграма повних опорів). Командою Add Measurement… додамо на діаграму коефіцієнти відбиття. При цьому необхідно встановити наступні опції: Meas. Type – Linear; Measurement – GM1 (для відбиття від «входу») чи GM2 (для відбиття від «виходу»); Data Source Name ім‘я схеми транзистора з двома портами (рис. 2.2.б). Після моделювання характеристики Analyze для правильного відображення результатів необхідно відредагувати графік. Виконавши команду Graph\Propertis… , відкрийте вкладинку Markers та у групі елементів управління Display Type виберіть Reflection coefficient. У групі Display format можна вибрати форму представлення розрахованих параметрів, наприклад, у вигляді комплексного числа Real/Imaginary. Закривши діалог, за командою Add Marker додайте також на графіки маркерів.

Для побудови графіка зі значеннями вхідного та вихідного опору у площині транзистора необхідно проробити майже ті самі дії, що й для коефіцієнтів відбиття. Відмінність полягає у виборі характеристики та у редагуванні графіка. Треба, по-перше, вибрати наступні установки: Meas. Type – Linear; Measurement – ZM1 (для опору на «вході» транзистора) чи ZM2 (для опору на «виході» транзистора); Data Source Name ім‘я схеми транзистора з двома портами (рис. 2.2.б). По-друге, при редагуванні у групі елементів управління Z or Y display, на закладинці Markers, обрати Denormalized to для денормування отриманих значень опорів (програма за замовчуванням виводить на графік нормовані на 50 Ом характеристики), та у групі Display Type вибрати Real/Imaginary.

Зверніть увагу, що самозбудження підсилювача можливе лише у випадку, коли активна складова вхідного та (чи) вихідного опору транзистора стає негативною. При цьому вхідний опір транзистора залежить від опору його вихідного навантаження, а вихідний – від опору вхідного (як відзначалось раніше, транзистор втрачає властивість невзаємності). Це буде видно далі, при оптимізації кіл узгодження підсилювача.

Визначення областей стійкості транзистора. Окрім знайдених характеристик важливо, особливо при проектуванні потенційно нестійкого підсилювача, визначити області припустимих опорів вхідного та вихідного навантажень у площині транзистора, при яких підсилювач працюватиме без самозбудження. Зробити це також необхідно і для безумовно стійкого транзистора, щоб ще раз проконтролювати отримані по стійкості результати. Таким чином, для встановлення областей, де активна складова опору транзистора є позитивною, створіть оболонку графіка Smith Chart та додайте на неї характеристику з наступними параметрами: Meas. Type – Circle; Measurement – SCIR1 (для опорів вхідного навантаження) чи SCIR2 (для опорів вихідного навантаження); Data Source Name ім‘я схеми транзистора з двома портами (рис. 2.2.б).

Після побудови характеристик, на графіку можна побачити контури (для SCIR1 та SCIR2), у кожній точці яких коефіцієнт відбиття від генератора (навантаження) підсилювача дорівнювює одиниці. Нагадуємо, що коефіцієнт відбиття менше одиниці вказує на режим стійкої роботи підсилювача, тоді як коефіцієнт відбиття більше одиниці відповідає потенційній нестійкісті активного приладу підсилювача. Отже, коло стійкості показує область нестійкості пунктирною лінією. Якщо пунктирна лінія виявляється усередині суцільної лінії, то зовнішня сторона кола показує область стійкості, і навпаки: якщо пунктирна лінія розташована зовні суцільної лінії, то внутрішня сторона є областю стійкості.

Таким чином, якщо отримані значення опорів транзистора лежать в області стійкості, можна продовжувати проектувати підсилювач. Однак зверніть увагу, що отримані області стійкості активного приладу дають змогу допомогти дати відповідь на запитання – чи можливо спроектувати підсилювач з фіксованим (не максимально можливим) коефіцієнтом підсилення. Зменшення коефіцієнта підсилення можна домогтися, зробивши розузгодження на вході та (чи) виході транзистора (узгодження здійснювати для інших опорів у площині транзистора). На практиці узгодження на вході зберігають, а необхідний коефіцієнт підсилення отримують за допомогою вихідного навантаження. При цьому, усі опори навантаження, що забезпечують необхідний коефіцієнт підсилення за умови узгодження на інших клемах транзистора, лежать на колі – постійного підсилення. Побудувати його на діаграмі повних опорів (Вольперта-Сміта) можна вручну [6], проте програма Microwave Office дозволяє це зробити автоматично. Для цього створіть оболонку Smith Chart та додайте наступну характеристику: Meas. Type – Circle; Measurement – GPC_MAX; Data Source Name – ім‘я схеми транзистора з двома портами; Number circles – кількість кіл постійного підсилення (від 1 до 20), що будуть відображатись на графіку; Gain Step – крок зміни підсилення транзистора у дБ, починаючи з максимально можливого значення. Максимальне значення коефіцієнта підсилення на графіку буде зображене лише однією точкою (хрестик). Це говорить про те, що максимальне значення цього параметра можливе лише при одному значенні опорів у площині транзистора. Чим менший коефіцієнт підсилення, тим більший радіус кола постійного підсилення.

Отже, побудувавши коло постійного підсилення, треба вибрати на ньому одне з багатьох можливих значень опору у площині транзистора, узгодивши яке з навантаженням проектованого підсилювача, можна отримати потрібний коефіцієнт підсилення. При цьому слід пам‘ятати про області стійкості активного приладу та обирати опори на колі якомога ближче до центру діаграми повних опорів для отримання меншого коефіцієнта відбиття від «входу»/«виходу» транзистора.

Варто відзначити, що одним із найважливіших параметрів високочастотних та НВЧ підсилювачів є також коефіцієнт шуму. Відомо [6], що коефіцієнт шуму підсилювача залежить від опору (провідності) джерела сигналу у площині транзистора, і те, що відповідним вибором цього опору можна мінімізувати коефіцієнт шуму. Але опір джерела сигналу, що відповідає режимам максимального підсилення (у випадку безумовно стійкого підсилювача), та мінімального коефіцієнта шума не збігаються. Тому опір джерела сигналу часто обирають з компромісних міркувань.

Що стосується програми Microwave Office, то вона дозволяє для аналізу проєктованого пристрою розрахувати та побудувати біля десятка різних характеристик, пов‘язаних з шумом. Розгляньте декілька з них. Наприклад, оцініть частотну залежність власних шумів обраного для підсилювача транзистора. Для цього на вкладинці Frequency Values вікна Project Options, що викликається за командою Options/Project Options…, встановіть частоти розрахунку ±10% від центральної робочої частоти проєктованого підсилювача, створіть Rectangular оболонку графіка та додайте характеристику з наступними установками: Meas. Type – Noise; Measurement – NF; Two Port Name ім‘я схеми з транзистором та двома портами; Result Type – DB не відзначати! Усі шумові характеристики будуються у дБ за замовчуванням. При розрахунку характеристики враховується імпеданс опору генератора на вході чотириполюсника (у нашому випадку транзистора), від якого залежить коефіцієнт шуму. Додайте на цей же графік криву мінімально досяжного коєфіцієнта шуму при ідеальних умовах узгодження на вході. Параметри характеристики наступні: Meas. Type – Noise; Measurement – NFMin; Two Port Name ім‘я схеми з транзистором та двома портами; Result Type – DB не відзначати! Отримана характеристика покаже, який ми можемо отримати коефіцієнт шуму підсилювача з обраним транзистором в ідеальних умовах.

Окрім цього, якщо пріоритетним є отримання від підсилювача потужності саме низького коєфіцієнта шуму, обов‘язково треба проаналізувати частотну залежність активної та реактивної частин оптимального імпедансу джерела, при якому забезпечується мінімальний коефіцієнт шуму. Зробити це можна, побудувавши у Rectangular оболонці характеристику з параметрами: Meas. Type – Noise; Measurement – ZMIN; Two Port Name – ім‘я схеми з транзистором та двома портами; Complex Modifier – Real (для активної частини імпедансу) чи Imag (для реактивної частини імпедансу). Графік покаже, узгодження з яким саме імпедансом на вході схеми дозволить реалізувати низький рівень шуму.

На закінчення розгляду шумових характеристик відзначимо, що для реалізації «компромісного» варіанту підсилювача, тобто підсилювача з заданим коефіцієнтом шуму та заданим коефіцієнтом підсилення, треба побудувати на одній діаграмі повних опорів кола рівного коефіцієнта шуму та рівного коефіцієнта підсилення. Тоді, реалізувавши узгодження навантажень підсилювача з вхідним та вихідним опорами у площині транзистора, що взяті на перетині побудованих кіл (чи із спільної області діаграми повних опорів, що належить цим колам), ми отримаємо необхідні характеристики шуму та підсилення. Ящо опори будуть взяті зі спільної області кіл, побудованих на діаграмі, ми можемо отримати дещо нижчий коефіцієнт шуму та дещо більший коефіцієнт підсилення, ніж у випадку вибору опору на перетинах кіл. Таким чином, для побудови рівного коефіцієнта шуму спочатку треба встановити одну центральну робочу частоту підсилювача у вікні Project Options, створити Smith Chart оболонку графіка та додати наступну характеристику: Meas. Type – Circle; Measurement – NFCIR; Two Port Name – ім‘я схеми з транзистором та двома портами;; Number of circles – кількість кіл рівного коефіцієнта шуму, що будуть відображатись на графіку; Step between (dB) – крок зміни коефіцієнта шуму у дБ.

Оптимізація розрахованих кіл узгодження транзистора. Вище ми говорили, що транзисторний підсилювач може забезпечити задані електричні характеристики (коефіцієнт підсилення, шуму тощо), якщо транзистор правильно навантажений, тобто якщо опір джерела сигналу Z_г та навантаження Z_н (рис. 2.3.а) в площині транзистора мають цілком відповідні значення. А опори реальних джерел сигналу та навантаження, як правило, дорівнюють 50 Ом. Тому підсилювач повинен містити в себе узгоджуючі кола (УК), що здійснюють трансформацію опорів Z_г та Z_н у вхідний та вихідний опори транзистора Z₁ та Z₂.

а) б)

Рисунок 2.3 – Функціональна схема підсилювача (а) та

принципова схема кіл узгодження (б)

Таким чином, для проведення подальшого моделювання підсилювача та отримання його основних характеристик нам необхідно у курсовому проекті спроектувати та оптимізувати кола узгодження обраного таранзистора. Тобто спочатку обрати вхідну та вихідну схеми узгодження (наприклад, П-подібні) та «вручну» розрахувати на робочій частоті їхні елементи [8, 9], з урахуванням знайдених раніше за допомогою програми Microwave Office вхідного та вихідного опорів обраного транзистора. При цьому слід пам‘ятати про комплексне значення опорів Z₁ та Z₂ та врахувати їхні реактивні складові у колах узгодження. Після цього за допомогою програми необхідно отримати частотні залежності коефіцієнта відбиття від узгоджених входів транзистора.

Для отримання частотних залежностей коефіцієнтів відбиття зберіть принципову електричну схему з транзистора, 50 Омних портів та розрахованих кіл узгодження (наприклад таку, яка зображена на рис. 2.3.б, де як транзистор треба взяти ту модель елемента, що описується S параметрами, тобто модель з теки Data). Далі задайте у діалозі Project Options частотний діапазон аналізу схеми (приблизно ±10% від центральної робочої частоти підсилювача) та побудуйте у Rectangular оболонці графіку характеристики з наступними параметрами: Meas. Type – Port parameters; Measurement – S; Data Source Name – ім‘я зібраної схеми узгодження (у нашому випадку рис. 2.3.б); To port index та From port index – 1 для коефіцієнта відбиття від входу схеми та 2 для коефіцієнту відбиття від виходу схеми; Complex modifier – Mag (модуль характеристики).

У багатьох випадках проведений так званий «ручний» розрахунок дасть на робочій частоті не зовсім задовільні значення коефіцієнтів відбиття (десь 0.4 … 0.6). Тому для їх поліпшення (хоча б до 0.1) необхідно провести автоматичну оптимізацію узгоджуючих кіл. Для цього спочатку треба вказати умови оптимізації та задати цільову функцію. Вказати умови – це вказати елементи схеми узгодження, параметрами яких можна варіювати під час оптимізації, та які максимальні і мінімальні значення можуть приймати ці параметри. Зробити це можна, відкривши закладку Var вікна перегляду проекту. Виділивши у її верхній частині ім‘я схеми, що оптимізується, у нижній частині можна побачити усі елементи та параметри схеми, які можна змінювати. Наприклад, для оптимізації кіл узгодження на зосереджених елементах це номінали емностей та індуктивностей. Для кіл узгодження, що побудовані на елементах з розподіленими параметрами, це довжина мікросмужкових відрізків узгодження та шлейфів. Тому треба відмітити (ввімкнути) напроти необхідних елементів кнопки «О» (оптимізація) та «С» (обмеження на параметр, що вводяться у комірку стовпців Lower і Upper – відповідно нижній та верхній кордони зміни параметрів елемента, наприклад, 1 – 10000 пФ).

Для задання цілі оптимізації відредагуйте графік частотної залежності коефіцієнтів відбиття для узгодженого транзистора, що був побудований вище. Активуйте графік, виконайте команду Graph\Propertis… та виберіть закладку Limits. Відключіть опцію Auto limits у групі Left Y -Axis та у опції Minimum встановіть 0. Закрийте діалог. Після цього за командою Project/Add Opt Goal у діалозі New Optimization Goal додайте на графік безпосередньо цілі оптимізації (Goal). Візуально на графіку вони являтимуть собою лінії (кількість не обмежена, дивись рис. 2.4.а), що вказують програмі під час оптимізації параметрів схеми, як повинна йти характеристика (Meas): вище (Meas>Goal ), нижче (Meas<Goal ), чи безпосередньо по лінії (Meas=Goal ).

Кожна обмежувальна (цільова) лінія потребує окремого виклику діалога New Optimization Goal та введення в нього відповідних даних (рис. 2.4.б):

Measurement – ім‘я схеми, що оптимізується, та тип характеристики, яка оптимізується;

Goal Type – критерій оптимізації (наприклад, опція Meas<Goal вказує, що оптимізуємий параметр проектованого пристрою (Meas) повинен бути менше вимагаємого значення (Goal));

Range – діапазон частот, у якому має виконуватись вимога оптимізації;

Goal – мета оптимізації (потрібне значення);

Weight – ваговий коефіцієнт;

L – розмірність метрики, в якій визначається відстань між необхідним та одержуваним значенням параметра, що оптимізується.

У Microwave Office цільова функція Cost визначається у такий спосіб: Cost=Weight*|Meas-Goal|**L.

а) б)

в) г)

Рисунок 2.4 – Обмежувальні лінії на графіку (а), діалог задання мети оптимізації (б), цільові лінії у дереві проекту (в) та діалог оптимізації (г) у програмі Microwave office

Після цих встановлень параметрів, потрібні обмеження частотної залежності коефіцієнтів відбиття (цільові лінії) будуть додані у розділ Optimizer Goals на вкладинціProj (рис. 2.4.в). Якщо необхідно відредагувати цільову лінію, треба визвати вікно редагування Modify Optimization Goal подвійним натисканням лівої кнопки миші у Optimizer Goals по відповідній лінії. Розташування нанесеної на графік цільової лінії можна змінювати також за допомогою фіксації (на кінцях чи в середині лінії) та перетягнення курсору миші безпосередньо на графіку. В разі необхідності видалення будь якої цільової лінії, вона виділяється у розділі Optimizer Goals, після чого натискається кнопка Delete.

Для запуску оптимізації треба вибрати у менюSimulate команду Optimize. У відкрившемся одноіменному діалоговому вікні (рис. 2.4.г) встановіть позначку Show All Iterations (показувати усі ітерації), укажіть кількість ітерацій (Maximum Iterations) та виберіть метод оптимізації у списку Optimization Methods. Якщо Вам невідомі переваги чи недоліки вказаних методів, залишіть метод оптимізації той, що був обраний за замовчуванням. Натисніть кнопку Start (пуск). Процес оптимізації можна спостерігати на графіку за зміною форми характеристики, що оптимізується, та зміною величини похибки (Cost і Cost History) у діалозі Optimize.

Отримання вольт-амперних характеристик транзистора. Окрім розглянутих вище питань, для правильного проектування та формування повної схеми підсилюючого каскаду (встановлення робочої точки транзистора) необхідно мати вольт-амперні характеристики (ВАХ) транзистора. Для отримання ВАХ, обраного транзистора за допомогою Microwave Office необхідно спершу створити нову електричну схему вимірювання (Project/Add Schematic/New Schematic…). Звичайно можна зібрати схему вимірювання ВАХ використовуючи амперметри (I_METR) та вольтметри (V_METR), що знаходяться у бібліотеці MeasDevice на вкладинці Elem менеджера проекту. Але у програмі для вимірювання ВАХ біполярних транзисторів (GBJT) передбачені спеціальні вимірювачі IVCURVEI (для вимірювання вихідних ВАХ (I_c(U_сe) при var I_b)) та IVCURVE (для вимірювання вхідних ВАХ (I_b(U_be) при var U_ce)), що знаходяться у бібліотеці MeasDevice/IV. Тому, для отримання вихідної ВАХ зберіть схему, яка показана на рис. 2.5.а. Як транзистор необхідно взяти його нелінійну модель, тобто з теки Library\Nonlinear\... бібліотеки елементів.

а) б)

Рисунок 2.5 – Схеми для вимірювання вихідної (а) та вхідної (б) ВАХ

Далі, для встановлення специфікацій вимірювача наведіть на нього курсор та двічі натисніть ліву кнопку миші. У діалозі встановлення параметрів, що з‘явилося, введіть значення:VSWEEP_start, VSWEEP_stop, VSWEEP_step – відповідно початкове, кінцеве значення та крок зміни напруги колектор-емітер; ISTEP_start, ISTEP_stop, ISTEP_step – відповідно початкове, кінцеве значення та крок зміни струму бази. Варто розуміти, що для різних транзисторів оптимальні значення цих параметрів для перегляду ВАХ будуть різними, тому їх треба буде підібрати після побудови графіку ВАХ. А для отримання графіка треба у діалозі Add Measurement to ‘…’, що з‘являється після виконання команд Project/Add Graph та Add Measurement, встановити: тип вихідного параметру – струм нелінійної схеми (у вікні Meas. Type вибрати Nonlinear Current); вид залежності (вікно Measurement) – вибрати IVCURVE; у вікні Data Source Name вибрати ім‘я схеми визначення ВАХ. Графіки побудуються після виконанняSimulate\Analyze .

Для отримання вхідних ВАХ треба зібрати схему, зображену на рис. 2.5.б. У характеристиках приладу IVCURVE встановити наступні параметри:VSWEEP_start, VSWEEP_stop, VSWEEP_step – відповідно початкове, кінцеве значення та крок зміни напруги база-емітер; VSTEP_start, VSTEP_stop, VSTEP_step – відповідно початкове, кінцеве значення та крок зміни напруги колектор-емітер. Графіки вхідних ВАХ будуються аналогічно графікам вихідних ВАХ.

Розрахунок характеристик підсилювача. Таким чином, за допомогою програми Microwave Office отримано ВАХ транзистора, що дає змогу спроектувати кінцеву електричну схему підсилювача потужності з колами встановлення робочої точки та перейти до його моделювання – отримання основних частотних характеристик. Зберіть схему підсилювача з усіма необхідними елементами: колами узгодження, елементами встановлення робочої точки, елементами термостабілізації та фільтрації тощо. Як транзистор треба вибрати нелінійну модель елемента – ту, яку використовували під час отримання ВАХ. Під‘єднайте джерело живлення з необхідною напругою (джерело постійної напруги DCVS знаходиться у бібліотеці Sources\DC). На вхід та вихід підсилювача під‘єднайте порти та відредагуйте вхідний порт. Наведіть на нього курсор та подвійним натисканням лівої кнопки миші відкрийте діалог редагування параметрів, виберіть вкладинку Port та у групі елементів Port type встановіть тип порту Source (джерело гармонічного сигналу: Tone type: Tone 1). Перейдіть на вкладинку Parameters та встановіть у рядку Pwr значення потужності, яка збуджуватиме підсилювач. Отримайте наступні частотні залежності підсилювача на Rectangular графіках:

– коефіцієнт стійкості підсилювача потужності (Meas. Type – Linear; Measurement – K; Data Source Name – ім‘я зібраної схеми підсилювача);

– коефіцієнт підсилення підсилюючого каскаду (Meas. Type – Linear Gain; Measurement – GT; Data Source Name – ім‘я зібраної схеми підсилювача; Result Type – DB);

– вихідну потужність підсилювача (Meas. Type – Nonlinear Power; Measurement – PT; Data Source Name –ім‘я зібраної схеми підсилювача; Power Measurement Component – PORT_2; Power Swp Index (-20) – 1);

– рівень гармонік на вході та виході підсилюючого каскаду (Meas. Type – Nonlinear Power; Measurement – Pharm; Data Source Name – ім‘я зібраної схеми підсилювача; Measurement Component – PORT_1 для гармонік на вході та PORT_2 для гармонік на виході підсилювача потужності; Frequency Swp Index (***) – встановити таке значення параметра, щоб замість *** відображалась центральна робоча частота спроектованого підсилювача; Power Swp Index (-20) – 1; Complex Modifier – Mag.; Result Type – DB). Характеристики побудувати на одному графіку;

– коефіцієнт шуму підсилювача (Meas. Type – Noise; Measurement – NF; Two Port Name – ім‘я схеми, що не містить джерела живлення. У нашому випадку підійде схема, отримана після оптимізації кіл узгодження транзистора (рис. 2.4.б)). Зверніть увагу, що характеристика автоматично будується у дБ, тому позначка DB у групі Result Type приведе до невірного результату.

На кожний побудований графік на центральній робочій частоті підсилювача потужності встановіть маркери. При цьому, може статися так, що отримані результати моделювання дещо відрізнятимуться від результатів розрахунку. Для отримання необхідних показників побудованих характеристик дозволяється підстроїти робочу точку транзистора відповідними елементами схеми з описом у записці курсового проекту цих дій та отриманих результатів до та після підстроювання схеми.

Дата добавления: 2015-10-21