Wzmacniacze
mikrofalowe
W-10
Wzmacnianie i wzmacniacze sygnału
q�Wprowadzenie
q�Tranzystor jako element wzmacniający
q�Tranzystory bipolarne
q�Tranzystory polowe
q�Wzmacniacz jednostopniowy
q�Wzmacniacz dwustopniowy
q�Wzmacniacz mocy
q�Parametry wzmacniacza
2
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wprowadzenie (a)
Wprowadzenie (a)
q�Ideowy schemat blokowy łącza radiowego do transmisji informacji
Nadajnik
Odbiornik
D
AO
M1
W AN
M2 W2
W1
Inform.
Inform.
LON
LOO
q� Wzmacnianie sygnału wykorzystane jest w obu układach wielokrotnie.
q� W układzie nadajnika wzmacniacz W służy do uzyskania odpowiedniego poziomu mocy
kierowanej do anteny AN.
q� W układzie odbiornika wzmacniacze W1 i W2 podnoszą poziom mocy do poziomu, przy
którym może zachodzić detekcja.
3
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wprowadzenie (b)
Wprowadzenie (b)
q�Wzmacniacz transmisyjny - obwód aktywny jest dwuwrotnikiem.
q�Właściwości wzmacniające wzmacniacza opisuje transmitancja S21
(o jego dopasowaniu decydują reflektancje S11 i S22):
P2-�
S21 2 =� >� 1;
P1+�
Wrota
Wrota
Wyjściowe
Wejściowe
Wzmacniacz-
Dwuwrotnik
P2-
P1+
2
1
4
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Tranzystor jako element wzmacniający (a)
q�Tranzystory są najważniejszymi elementami aktywnymi używanymi do
wzmocnienia i generacji sygnałów.
q�Tranzystory bipolarne, krzemowe, pracują do około 20 GHz.
q�Nowe rodziny tranzystorów HBT (ang. Heterojunction Bipolar Transistor),
wykonywane na GaAs, pracują do 100 GHz.
q�Tranzystory polowe, unipolarne, wykonywane w technologii wykorzystującej
arsenek galu GaAs.
q�Wśród rozmaitych odmian spotykamy tranzystory MESFET, pracujące do 60
GHz, oraz tranzystory HEMT (ang. High
Electron Mobility Transistor), pracujące do 200 GHz
5
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Tranzystor jako element wzmacniający (b)
q�Można podzielić tranzystory ze względu na moc na trzy grupy:
q�Tranzystory małej mocy są zwykle tranzystorami niskoszumnymi, mocach
wyjściowych od kilku do około 30 mW.
q�Tranzystory średniej mocy mogą wzmacniać, lub generować
sygnały o większych mocach wyjściowych, do 300 mW.
q�Tranzystory dużej mocy, pracujące w klasach A, B i C,
o mocach wyjściowych od kilkuset Watów przy 100 MHz,
do 0,5 Wata przy 20 GHz.
6
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Tranzystory bipolarne (a)
Tranzystory bipolarne (a)
q�Struktura, obwód zastępczy i charakterystyki tranzystora bipolarnego HBT
E
K B
B
K
IC[mA]
20
n
p
IB = 500m�A
16
podłoże n
400m�A
12
a�IE 300m�A
B
K
RC
RB
8
200m�A
4
CCB
100m�A
CTE
RE
REC
0 4 6 8 10
2
E
VCE[V]
7
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Tranzystory bipolarne (b)
Tranzystory bipolarne (b)
Najważniejszym parametrem
BJT S21
Tranzystor bipolarny NE68818,
Mag Max Swp Max
VCE=8V
tranzystora bipolarnego jest
12 6 GHz
zależność S21(f).
IC=15 mA
IC=10
Mod{S21} silnie zależy od f,
mA
maleje o 6dB/oktawę.
IC=5
Arg{S21} zmienia się z f w
mA
PORT 1
PORT 0
-180
Z0=50W�
2
granicach 120-150 stopni.
B
C
Z0=50
W�
Mod{S21} silnie zależy od
E
prądu kolektora IC.
S[2,1]
NE68818 120mW
Także częstotliwość
S[2,1]
NE68818 80mW
graniczna silnie zmienia się
S[2,1]
4 Swp Min
NE68818 40mW
Per Div 0.5 GHz
prądem IC.
8
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
-90
90
1
5
0
7
5
0
1
6
2
0
45
135
0
3
1
5
0
5
1
1
6
5
-
1
5
5
6
1
-
-
3
0
0
5
1
-
-45
5
-13
-
6
0
0
2
1
-
-
5
7
0
5
1
-
Tranzystory bipolarne (c)
Tranzystory bipolarne (c)
BJT S11
Tranzystor bipolarny NE68818, VCE=8V
q�Charakterystyki S11(f)
Swp Max
6GHz
dobrze pokrywają się z
IC=15 mA
okręgami R=const.
q�Obwód zastępczy, to
S[1,1]
NE68818 120mW
IC=10 mA
szeregowe połączenie
S[1,1]
NE68818 80mW
RLC.
S[1,1]
NE68818 40mW
q�Wartość prądu kolektora IC
IC=5 mA
wpływa w pewnym stopniu
na każdy element obwodu
R,L,C.
Swp Min
0.5GHz
9
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
1.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
10.0
-1.0
8
.
0
6
.
0
0
.
2
4
.
0
0
.
3
0
.
4
0
.
5
2
.
0
0
.
0
1
0
.
0
1
-
2
.
0
-
0
.
5
-
0
.
4
-
0
.
3
-
4
.
0
-
0
.
2
6
-
.
0
-
.8
-0
Tranzystory bipolarne (d)
Tranzystory bipolarne (d)
Tranzystor bipolarny NE68818, VCE=8V
BJT S22
q�Przebiegi S22(f) nie są tak
Swp Max
6GHz
regularne, jak S11(f) i trudno je
modelować prostym
obwodem R,L,C.
IC=15 mA
q�Im większe prądy kolektora,
tym łatwiej dopasować
obwód wyjściowy
wzmacniacza.
IC=10 mA
S[2,2]
NE68818 120mW
IC=5 mA
S[2,2]
NE68818 80mW
Swp Min
S[2,2]
NE68818 40mW 0.5GHz
10
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
1.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
10.0
-1.0
8
.
0
6
.
0
0
.
2
4
.
0
0
.
3
0
.
4
0
.
5
2
.
0
0
.
0
1
0
.
0
1
-
2
.
0
-
0
.
5
-
0
.
4
-
0
.
3
-
4
.
0
-
0
.
2
6
-
.
0
-
8
.
0
-
Tranzystory bipolarne (e)
Tranzystory bipolarne (e)
Tranzystor bipolarny NE68818, VCE=8V
JBT S12
q�Przebiegi S12 pokazują jaka
Mag Max Swp Max
0.45 6 GHz
może być izolacja między
wrotami wyjściowymi a
IC=15 mA
wejściowymi wzmacniacza
q�Mod{S21(f)} transmitancji
rośnie szybko ze wzrostem f
przy niewielkiej zmianie
IC=10 mA
0
argumentu.
-180
q�Gdy ��S21��> 0,1 to założenia o
unilateralności tranzystora nie
IC=5 mA
można przyjmować.
S[1,2]
NE68818 120mW
q�Zmiana prądu kolektora w
S[1,2]
NE68818 80mW
niewielkim stopniu wpływa na
0.1125 S[1,2] Swp Min
wartość S21.
NE68818 40mW
Per Div 0.5 GHz
11
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
-90
90
1
5
0
7
5
0
1
6
2
0
45
135
0
3
1
5
0
5
1
1
6
5
-
1
5
5
6
1
-
-
3
0
0
5
1
-
-45
-135
-
6
0
0
2
1
-
-
5
7
0
5
1
-
Tranzystory polowe (a)
Tranzystory polowe (a)
q�Tranzystor polowy FET, struktura, charakterystyki i obwód zastępczy.
y
ródło
Bramka
Dren
S
G D
ID[A]
n-GaAs
n+ n+
0,5
VGS=0
podłoże GaAs
0,4
G CGD
RD
RG D
0,3
CGS
VGS=const.
gd CDS 0,2
RI
0,1
gm0
UG e-jw�t�
RS
S
15
9
S 0 3 6 12
VDS[V]
12
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Tranzystory polowe (b)
Tranzystory polowe (b)
Tranzystor polowy FET NE325;
FET S21
Charakterystyki |�S21(f)|�
Mag Max Swp Max
VD=3V
tranzystorów polowych 8 18 GHz
maleją wolniej, w tempie
ID=30 mA
około 10dB/dekadę.
Wartości |�S21(f)|�
ID=20 mA
wskazują na możliwość
szerokopasmowej pracy.
0
-180
Silnie zmieniają się
ID=10 mA
PORT 1
argumenty.
Z=50 Ohm
PORT 2
Z=50 Ohm
Wartość prądu drenu
silnie wpływa na wartość
ID=5 mA
|�S21(f)|� tranzystora FET. S[2,1] S[2,1]
FET01 FET03
S[2,1] S[2,1]
2 Swp Min
FET02 FET04
Per Div 0.1 GHz
13
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
-90
90
1
5
0
7
5
0
1
6
2
0
5
4
13
5
0
3
1
5
0
5
1
1
6
5
-
1
5
5
6
1
-
-
3
0
0
5
1
-
-45
135
-
-
6
0
0
2
1
-
-
5
7
0
5
1
-
Tranzystory polowe (c)
Tranzystory polowe (c)
S[1,1]
Tranzystor polowy FET NE325; VD=3V
FET S11
FET01
q�Charakterystyki S11(f)
Swp Max
S[1,1] 18GHz
tranzystora FET dobrze
FET02
pokrywają się z okręgami
S[1,1]
FET03
stałej rezystancji.
S[1,1]
q�Można je modelować
FET04
szeregowym obwodem
R,L,C.
q�Wartości |�S11|� są większe
niż dla bipolarnych i
dlatego trudniej
ID=30 mA
dopasować wzmacniacz.
ID=20 mA
ID=10 mA
Swp Min
ID=5 mA
0.1GHz
14
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
1.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
10.0
-1.0
8
.
0
6
.
0
0
.
2
4
.
0
0
.
3
0
.
4
0
.
5
2
.
0
0
.
0
1
0
.
0
1
-
2
.
0
-
0
.
5
-
0
.
4
-
0
.
3
-
4
.
0
-
0
.
2
6
-
.
0
-
8
.
0
-
Tranzystory polowe (d)
Tranzystory polowe (d)
S[2,2]
FET01 FET S22
Tranzystor polowy FET NE325;
Swp Max
S[2,2]
VD=3V
18GHz
FET02
S[2,2]
q�Charakterystyki S22(f)
FET03
tranzystora FET nie mają
S[2,2]
FET04
czytelnego przebiegu,
aby je łatwo modelować
obwodem R,L,C.
q�Im większy prąd drenu,
tym łatwiej dopasować
ID=30 mA
impedancję wyjściowa.
ID=20 mA
ID=10
mA
ID=5
Swp Min
mA
0.1GHz
15
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
1.0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
10.0
-1.0
8
.
0
6
.
0
0
.
2
4
.
0
0
.
3
0
.
4
0
.
5
2
.
0
0
.
0
1
0
.
0
1
-
2
.
0
-
0
.
5
-
0
.
4
-
0
.
3
-
4
.
0
-
0
.
2
6
-
.
0
-
8
.
0
-
Tranzystory polowe (e)
Tranzystory polowe (e)
FET S12
Tranzystor polowy FET NE325;
Mag Max Swp Max
VD=3V
0.12 18 GHz
q�Dla tranzystora polowego
moduł |�S12|� rośnie
ID=5 mA
początkowo ustalając
swą wartość < 0,1.
q�Zmienia się istotnie
wartość argumentu.
0
-180
q�Warunki unilateralności
łatwo spełnić w zakresie
ID=30 mA
niewielkich
ID=20 mA
częstotliwości.
ID=10 mA
S[1,2] S[1,2]
FET01 FET03
S[1,2] S[1,2]
0.06 Swp Min
FET02 FET04
Per Div 0.1 GHz
16
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
-90
90
1
5
0
7
5
0
1
6
2
0
5
4
135
0
3
1
5
0
5
1
1
6
5
-
1
5
5
6
1
-
-
3
0
0
5
1
-
-
4
5
135
-
-
6
0
0
2
1
-
-
5
7
0
5
1
-
Wzmacniacz jednostopniowy (a)
Wzmacniacz jednostopniowy (a)
q�Struktura jednostopniowego wzmacniacza tranzystorowego:
��wejściowy obwód dopasowujący D1,
��tranzystor wzmacniający w konfiguracji wspólnego emitera/z
ródła,
��wyjściowy obwód dopasowujący D2.
[S]
Wejściowy
Wyjściowy
Zo
Obwód
Obwód
Zo
Dopasowuj.
Dopasowuj.
D1
D2
G�WE
G�G G�L G�WY
aG bG
b1 b2 a2 aL bL
a1
17
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz jednostopniowy (b)
Wzmacniacz jednostopniowy (b)
q�Analiza proces wzmocnienia oparta o następujące założenia:
��generator - z
ródło wzmacnianego sygnału jest bezodbiciowy ZG = Z0,
��obciążenie dołączone do obwodu wyjściowego jest dopasowane ZL = Z 0,
��obwody D1 i D2 są bezstratne,
��tranzystor jest bezwarunkowo stabilny i unilateralny, czyli S12 = 0.
q�Zdefiniujemy wzmocnienie unilateralne GU jako wzmocnienie obliczone w
warunkach:
S12 =� 0;
18
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz jednostopniowy (c)
Wzmacniacz jednostopniowy (c)
q�Po przekształceniach:
(�1 -� G�G 2)� (�1-� G�L 2)�
GU =� S21 2 =� G1 S21 2 G2;
1 -� S11G�G 2 1-� S22G�L 2
q�Czynniki iloczynu: G1 i G2 osiągają maksimum, gdy:
*
G�G =� S11
G�L =� S*
22
q�G1 i G2 osiągają wtedy wartości maksymalne G1max i G2max:
1
1
G2MAX =� ;
G1MAX =� ;
1-� S22 2
1-� S11 2
19
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz jednostopniowy (d)
Wzmacniacz jednostopniowy (d)
q�Można teraz zapisać formułę końcową:
1 2 1
GUMAX =� S21 ;
2 2
1 -� S11 1 -� S22
q�Wzmocnienie tranzystora może być istotnie większe od wartości określonej
transmitancją.
q�Maksymalizacja wzmocnienia następuje dla wybranej częstotliwości, albo w
niewielkim pasmie.
q�Towarzyszy jej dopasowanie wrót wejściowych i wyjściowych.
20
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz jednostopniowy (e)
Wzmacniacz jednostopniowy (e)
q�Okręgi stałego wzmocnienia pozwalają obliczyć GU, gdy jeden albo oba
warunki nie są spełnione.
q�Założenie: Chcemy uzyskać wzmocnienie mniejsze o g1[dB]:
g1 = 0 dB
G1 GU = max
g1 =� Ł� 1;
G1MAX
g1 = - 0,3 dB
|�G�WE|� = 0,33
S*11
g1 = - 1 dB
q�Na płaszczyz
nie G�G linie
|�G�WE|� = 0,454
stałego wzmocnienia są
S11
okręgami, których rozmiary
g1 = - 2 dB
|�G�WE|� = 0,608
zależą od g1.
21
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz dwustopniowy (a)
Wzmacniacz dwustopniowy (a)
q�Struktura układu dwustopniowego wzmacniacza tranzystorowego
T1 T2
Wejściowy Obwód Wyjściowy
Zo
Obwód Między- Obwód
ZL
Dopasowuj. stopniowy Dopasowuj.
D1 D2 D3
q�Obwody zewnętrzne dopasowują, obwód międzystopniowy pełni różne role.
q�We wzmacniaczu dwustopniowym szerokopasmowym obwód międzystopniowy
bierze na siebie rolę wyrównanie charakterystyki wzmocnienia i kompensuje
spadki transmitancji obu tranzystorów T1 i T2
22
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz dwustopniowy (b)
Wzmacniacz dwustopniowy (b)
" We wzmacniaczu dwustopniowym szerokopasmowym obwód
międzystopniowy zwykle bierze na siebie rolę wyrównanie
charakterystyki wzmocnienia i kompensuje spadki transmitancji
obu tranzystorów T1 i T2
Ilustracje roli kolejnych obwodów wzmacniacza
dwustopniowego szerokopasmowego
G1
G2
GMS
|�S21|�2 |�S21|�2
12dB/okt
1
6dB/okt 6dB/okt
f
f
f f
f
fg
fg
fg
fd fg fg fd
fd fd fd
23
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (a)
Wzmacniacz mocy (a)
q�Specyfika wzmacniaczy mocy: w procesie wzmacniania rośnie poziom mocy
sygnału, ostatni ze wzmacniaczy pracuje w najtrudniejszych warunkach i
zwykle przy największych wymaganiach.
q� Nadajniki komunikacji ruchomej
��Praca przy małym napięciu  minimalna liczba baterii,
�� Wysoka sprawność  długi czas rozmowy,
��Duży zakres pracy liniowej, małe zniekształcenia, duży zasięg nadajnika,
��Brak chłodzenia, małe rozmiary radiatora.
��Niski koszt produkcji.
24
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (b)
Wzmacniacz mocy (b)
q�Nadajniki telekomunikacji satelitarnej
��Duża moc wyjściowa,
��Wysoka sprawność,
��Liniowość pracy, małe zniekształcenia intermodulacyjne,
q�Nadajniki telekomunikacji naziemnej
��Duża moc wyjściowa,
��Liniowość pracy, małe zniekształcenia intermodulacyjne.
q�Trudno spełnić wszystkie te wymagania, a szczególnie trudno spełnić je
równocześnie.
25
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (c)
Wzmacniacz mocy (c)
q�Sercem nadajnika jest element aktywny  tranzystor FET lub HBT. Pole
charakterystyk Ids(Vds,Vgs) tranzystora pokazuje rysunek.
q�Pole charakterystyk tranzystora  ograniczenia:
Ids[A]
0,5
ż� Wejście złącza bramka -
Vgs=0
z
ródło w stan przewodzenia.
0,4
ż� Region małych napięć, obszar
zagięcia charakterystyk
0,3
ż� Zagęszczenia w regionie
Vgs=const.
małych prądów, w okolicach
0,2
odcięcia prądu.
ż� Region dużych napięć,
0,1
Vgs=Vp
obszary przebicia
15
9
3 12
6
0
Vds[V]
26
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (d)
Wzmacniacz mocy (d)
q�Dobieramy punkt pracy tranzystora FET pracującego na obciążenie RL = 34 &!.
q�Dla tego obciążenia rysujemy charakterystykę Ids(Vgs).
Ids[A]
0,5
RL = 34 &!
-1
0,4
Vgs=0V
-2
0,3
-3
-4
0,2
-5
-6
0,1
-7
15
9
0 3 12
6
-8 -7 -6 -5
-4 -3 -2 -1
0
Vds[V]
Vgs=Vp
Vgs[V]
27
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (e)
Wzmacniacz mocy (e)
Ids[A]
0,4
q�Prąd Ids i
napięcie
0,3
Vgs0 = - 4V przy
pracy w klasie A.
0,2
q�Prąd płynie cały
0,1
okres.
t
Vgs[V]
-8 -7 -6 -5 -3 -2 -1 0
-4
0
2T 3T
T
ż� Klasa A: a� = 2p�;
t
28
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (f)
Wzmacniacz mocy (f)
Ids[A]
0,4
q�Prąd Ids i napięcie
Vgs0 = - 6V przy
0,3
pracy w klasie AB.
0,2
q�Prąd płynie dłużej,
niż pół okresu.
0,1
t
Vgs[V]
-8 -7 -6 -5 -3 -2 -1 0
-4
0
2T 3T
T
ż� Klasa AB: p� < a� < 2p�;
t
29
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (g)
Wzmacniacz mocy (g)
Ids[A]
0,4
q�Prąd Ids i napięcie
Vgs0 = - 8V przy
0,3
pracy w klasie B.
0,2
q�Prąd płynie pół
okresu.
0,1
t
Vgs[V]
-8 -7 -6 -5 -3 -2 -1 0
-4
0
2T 3T
T
ż� Klasa B: a� = p�;
t
30
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (h)
Wzmacniacz mocy (h)
Ids[A]
0,4
q�Prąd Ids i napięcie
Vgs0 = - 9V przy
0,3
pracy w klasie C.
0,2
q�Prąd płynie
krócej, niż pół
0,1
okresu.
t
Vgs[V]
-8 -7 -6 -5 -3 -2 -1 0
-4
0
2T 3T
T
ż� Klasa C: a� < p�;
t
31
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (l)
Wzmacniacz mocy (l)
q�Schemat ideowy obwodu wzmacniacza mocy.
V0DS
PO
LDC1
PWY
PABS
CDC
PWE
LDC2 YL L
C
RL
V0GS
q�Elementy LDC i CDC służą ustaleniu punktu pracy.
q�Obciążeniem jest obwód rezonansowy.
32
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe
Wzmacniacz mocy (m)
Wzmacniacz mocy (m)
q�Bilans mocy wzmacniacza jest następujący
PWE +� P0 =� PABS +� PWY;
ż�P0 - moc prądu stałego,
ż�PWE - moc sygnału doprowadzonego do wejścia wzmacniacza,
ż�PWY  moc dostarczona do obciążenia,
ż�PABS - moc tracona w samym tranzystorze.
PWY -� PWE
q�Sprawność:
h� =� PAE =� ;
P0
PWY
q�Wzmocnienie mocy:
G =� ;
PWE
33
W10 - Wzmacniacze mikrofalowe