Download pdf - Curs 7 2017/2018 - Laboratorul de Microunde si ...rf-opto.etti.tuiasi.ro/docs/files/DCMR Curs 7_2017.pdfFotografie de trimis prin email: [email protected] necesara la laborator/curs

Curs 72017/2018

RF-OPTO

http://rf-opto.etti.tuiasi.ro

Fotografie

de trimis prin email: [email protected]

necesara la laborator/curs

ADS 20162017 EmPro 20152017 pe baza de IP din exterior

Generatorul are posibilitatea de a oferi o anumita puteremaxima de semnal Pa

Pentru o sarcina oarecare, acesteia i se ofera o putere de semnal mai mica PL < Pa

Se intampla “ca si cum” (model) o parte din putere se reflectaPr = Pa – PL

Puterea este o marime scalara!

Ei

ZiPa

aL

iL

PP

ZZ

*

Ei

Zi ZL

PL

Ei

Zi

ZL

Pa PL

Pr

+

lZjZ

lZjZZZ

L

Lin

tan

tan

0

00

ΓL

Z0 ZL

-l 0

Zin

zz eVeVzV 00

zz eIeIzI 00

ljel 20

Scattering parameters

2

1

2221

1211

2

1

V

V

SS

SS

V

V

01

111

2

VV

VS

[S]

01

221

2

VV

VS

V1+

V1-

V2+

V2-

are semnificatia: la portul 2 esteconectata impedanta care realizeazaconditia de adaptare (complex conjugat)

02 V

Γ2

00 22 V

S11 si S22 sunt coeficienti de reflexie la intraresi iesire cand celalalt port este adaptat

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

01

111

2

aa

bS

[S]

a1 a2

b1 b2

02

222

1

aa

bS

S21 si S12 sunt amplificari de semnal candcelalalt port este adaptat

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

01

221

2

aa

bS

[S]

a1 a2

b1 b2

02

112

1

aa

bS

a,b informatia despre putere SI faza

Sij influenta circuitului asupra puterii semnalului

incluzand informatiile relativ la faza

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

0

02

21ZsursaPutere

ZsarcinaPutereS

[S]

a1 a2

b1 b2

Adaptarea de impedanţa

1

1

0

0

L

L

L

L

z

z

ZZ

ZZ

L

L

L

L

L

L

y

y

YY

YY

ZZ

ZZ

1

1

0

0

0

0

Im Z

Re Z

Im

Re

Im Γ

Re Γ

|Γ|=1

+1

+1

-1

-1

|Γ|

θ=arg Γ

Adaptarea cu elemente concentrate (Retele in L)

|Γ|=1 608.0L

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0°

45°

90°

135°

180°

225°

270°

315°

65.1429.0 jzL

V0

Z0 ZL

479.82429.21 jZL

608.0L

Adaptare ZL la Z0. Se raporteaza ZL la Z0

Trebuie sa deplasez coeficientul de reflexie in zona in care pentrugenerator cu Z0 am:

ΓLΓ0

00

m0

adaptare perfecta

adaptare "suficienta"

Re Γ

+1

+1

-1

-1

rL = 1gL = 1

Im Γ

Zona interzisa cu schema curenta

Zona interzisa cu schema curenta

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)

Series Stub (sectiune de linie in serie) tehnologic mai dificil de realizat la liniile

monofilare (microstrip)

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

sarcina: 60 Ω serie 0.995 pF la 2GHz

977.79601

jCj

RZL

LL

432.0405.00

0

j

ZZ

ZZ

L

LL

432.0405.0* jLS 85.46593.0S

85.46;593.0 S

SjSZ

YL

L 008.0006.01

4.03.00

jY

Yy L

L

adaptare necesita complex conjugat

ΓLΓS

linie serie

lungime electrica E= β·l=θ

muta coeficientul de reflexiepe cercul g=1

stub paralel:

lungime electrica E= β·lsp=θsp

muta coeficientul de reflexiein centrul diagramei Smith (Γ0=0)

V0

Z0 Γ0=0 Z0,θ ΓS

j·B

ΓS(θ)

500

0

SSS

S YZYY

Yy

4.03.01

1

jy

S

SS

jS

jS

S

SS

e

ey

2

2

1

1

1

1

YSYS(θ)

*2* j

LLS e

j

S

j

LS ee 22*

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

1

2cos21

22

2

1Re

2

2

SS

S

Sy S 2cos

Ecuatia pentru calcularea θ (linie serie)

doua solutii posibile, normate la intervalul 0180° se adauga λ/2 (180°) dupa nevoie

1Re Sy S 2cos

jSS e

180cos2

1360cos

2

1 11 kk SS

Nk 593.02cos 35.1262

35.126

35.126285.46

4.931806.86

7.39

85.46593.0S 85.46;593.0 S

Ecuatia pentru calcularea stub-ului paralel θsp

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

Semnul (+/-) solutiei alese la prima ecuatieimpune semnul solutiei utilizate la a doua ecuatie

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 Y(θ) este admitanta vazuta inspre sursa, Z0 in paralel

cu j·B

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 Semnul (+/-) solutiei alese la prima ecuatie impune

semnul solutiei utilizate la a doua ecuatie

472.1

472.1Im Sy

8.55

2.1241808.55sp

35.126

35.1262

4.93

7.39

110.0

360

7.391l

345.0

360

2.1242l

259.0

360

4.931l

155.0

360

8.552l

Series Stub (sectiune de linie in serie) tehnologic mai dificil de realizat la liniile

monofilare (microstrip)

sarcina: 100 Ω serie 6.37 nH la 2GHz doua solutii posibile

0.2 0.5 1.0

+0.2

45°

315°

+0.5

+1.0+2.0

-0.2

-0.5

-1.0-2.0

2.0 0°

90°

135°

|Γ|=1

180°

225°

270°

V0

Z0 ZL

ΓLZin,Γ0j·X1

1inr

V0

Z0 ZL

ΓLZin,Γ0Z0,β·l

Lin

sarcina: 100 Ω serie 6.37 nH la 2GHz

05.801001

jCj

RZL

LL

277.0481.00

0

j

ZZ

ZZ

L

LL

277.0481.0* jLS

92.29555.0S 92.29;555.0 S

6.120

jZ

Zz L

L

adaptare necesita Γ complex conjugat

ΓLΓS

linie serie

lungime electrica E= β·l=θ

muta coeficientul de reflexiepe cercul r=1

stub serie

lungime electrica E= β·lss=θss

muta coeficientul de reflexiein centrul diagramei Smith (Γ0=0)

V0

Z0

Γ0=0

Z0,θ ΓSj·X ΓS(θ)

jSS e2

500

SSS

Z

Z

Zz

6.121

1

jz

S

SS

j

S

j

S

S

SS

e

ez

2

2

1

1

1

1

ZSZS(θ)

Dupa sectiunea de linie cu lungimea electrica θ:

1Re Sz XzS Im

*

2

1Re SSS zzz *

2

1Im SSS zz

jz

j

S

j

S

j

S

j

SS

e

e

e

ez

2*

2*

2

2

1

1

1

1

2

1Re j

SS e

22

2222

11

1111

2

1Re

j

S

j

S

j

S

j

S

j

S

j

S

See

eeeez

1

2cos21

22

2

1Re

2

2

SS

S

Sz S 2cos

Ecuatia pentru calcularea θ (linie serie)

doua solutii posibile, normate la intervalul0180° se adauga λ/2 (180°) dupa nevoie

1Re Sz S 2cos

jSS e

180cos2

1360cos

2

1 11 kk SS

Nk 555.02cos 28.562

28.56

28.56292.29

8.1661802.13

1.43

92.29555.0S 92.29;555.0 S

Ecuatia pentru calcularea stub-ului serie θss:

1Re Sz S 2cos

j

S

j

S

j

S

j

SS

e

e

e

e

jz

2*

2*

2

2

1

1

1

1

2

1Im j

SS e

22

2222

11

1111

2

1Im

j

S

j

S

j

S

j

S

j

S

j

S

See

eeee

jz

2cos21

2sin2

2cos21

22

2

1Im

22

22

SS

S

SS

j

S

j

S

S

ee

jz

21

2sin2Im

S

S

Sz

S 2cos

Ecuatia pentru calcularea stub-ului serie θss:

doua situatii

Semnul (+/-) solutiei alese la prima ecuatieimpune semnul solutiei utilizate la a doua ecuatie

21

2sin2Im

S

S

Sz

S 2cos 212sin S

2

1

2Im

S

S

Sz

02sin]180,0[2

212sin S

2

1

2Im

S

S

Sz

02sin)0,180(2

212sin S

2

1

2Im

S

S

Sz

Se prefera (pentru microstrip) stub in gol

Reactanta raportata introdusa pentruadaptare

Z(θ) este impedanta vazuta inspre sursa, Z0 in serie cu j·X

lZjZ ocin cot0,

S

ocinzl

Z

Zx ImcotIm

0

,

2

1

1

2cot

S

S

ss l

Se alege una din cele doua solutii posibile Semnul (+/-) solutiei alese la prima ecuatie impune

semnul solutiei utilizate la a doua ecuatie

335.1

335.1Im Sz

8.36

2.1431808.36ss

28.56

28.562

8.166

1.43

120.0

360

1.431l

102.0

360

8.362l

463.0

360

8.1661l

398.0

360

2.1432l

Se alege una din cele 8 solutii posibileconvenabila tinand cont de:

dimensiuni fizice (suprafata ocupata pe chip/placa)

sensibilitatea adaptarii la variatia parametrilor fiziciai liniilor (ΔΓ/ΔE, ΔΓ/Δl)

caracteristica de frecventa convenabila

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

Double stub tuning Se foloseste o lungime constanta de linie

intre 2 stub-uri

Doua solutii posibile

Doua solutii posibile

Tipic d=λ/8 sau d=3λ/8 Nu pentru orice sarcina este posibila

decat daca se poate introduce o sectiune de liniepana la sarcina

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


similar

L

Lin

S

SSS

V

V

22

211211

1

1

1



S

Sout

S

SSS

V

V

11

211222

2

2

1

L

Lin

S

SSS

V

V

22

211211

1

1

1

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 LLS

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

Preview (pentru laborator 3-4)

Deseori este necesara o alta abordare decat"forta bruta" si se prefera obtinerea unuicastig mai mic decat cel maxim posibilpentru: conditii de zgomot avantajoase (L3)

conditii de stabilitate mai bune

obtinerea unui VSWR mai mic

controlul performantelor la mai multe frecvente

banda de functionare a amplificatorului

Adaptarea pentru castig maxim la douafrecvente genereaza o comportaredezechilibrata

[dB]

log(f)f1 f2

MAG MSG

Adaptare pentru castig maxim la frecventa maxima Dezadaptare controlata la frecventa minima eventual la mai multe frecvente din banda

[dB]

log(f)f1 f2

MAG MSG

Daca ipoteza tranzistorului unilateral estejustificata:

2

22

2

2

11

22

211

1

1

1

L

L

S

STU

SSSG

2

11

2

1

1

S

SS

SG

2

22

2

1

1

L

LL

SG

2

210 SG

Daca ipoteza tranzistorului unilateral este justificata: castigul adaugat prin adaptare mai buna la intrare nu

depinde de adaptarea la iesire

castigul adaugat prin adaptare mai buna la iesire nudepinde de adaptarea la intrare

Adaptarile la intrare/iesire pot fi tratate independent Se pot impune cerinte diferite intrare/iesire

se tine cont de compunerea castigurilor generate

LST GGGG 0 dBGdBGdBGdBG LST 0

2

11

2

1

1

S

SS

SG

5.1SG

0.1SG

5.0SG

Cercuri

2

11

2

1

1

S

SS

SG

*11

max SSSS

GG

2

11

2

1

1log10

S

SS

SdBG

*11

max SSSS

GG

Ecuatia unui cerc in planul complex in care reprezint ΓS

Interpretare: Orice punct ΓS care reprezentat in planulcomplex se gaseste pe cercul desenat pentru gcerc = Gcerc/GSmax

va conduce la obtinerea castigului GS = Gcerc

Orice punct in exteriorul acestui cerc va genera un castig GS < Gcerc

Orice punct in interiorul acestui cerc va genera un castig GS > Gcerc

Discutie similara la iesire CCCIN, CCCOUT

2

11

2

11

2

11

*11

11

11

11 Sg

Sg

Sg

Sg

S

S

S

SS

SSS RC

2

11

*11

11 Sg

SgC

S

SS

2

11

2

11

11

11

Sg

SgR

S

SS

Cercurile se reprezinta pentru valorile cerute in dB Este utila calcularea GSmax si GLmax anterior

Factorul de zgomot F caracterizeazadegradarea raportului semnal/zgomot intreintrarea si iesirea unei componente

oo

ii

NS

NSF

Cercuri

Γopt = 0.45 174°

Amplificator de zgomot redus La intrare e necesar un compromis intre

zgomot (cerc de zgomot constant la intrare)

castig (cerc de castig constant la intrare)

stabilitate (cerc de stabilitate la intrare)

La iesire zgomotul nu intervine (nu existainfluenta). Compromis intre:

castig (cerc de castig constant la iesire)

stabilitate (cerc de stabilitate la iesire)

Daca se sacrifica 1.2dB castig la intrare pentru conditiiconvenabile F,Q (Gs = 1 dB)

Se prefera obtinerea unui zgomot mai mic

CCCOUT: -0.4dB, -0.2dB, 0dB, +0.2dB Lipsa conditiilor privitoare la zgomot ofera posibilitatea

obtinerii unui castig mai mare (spre maxim)

De obicei un tranzistor potrivit pentru implementarea unuiLNA la o anumita frecventa va avea cercurile de castig la intrare si cercurile de zgomot in aceeasi zona pentru ΓS

Laboratorul de microunde si optoelectronica http://rf-opto.etti.tuiasi.ro [email protected]