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, ⏐∆⏐