بخشی از مقاله
چکیده
تقویت سیگنالهای دریافتی نیاز بسیار مهم و جدایی ناپذیر در انواع سیستم های مخابراتی - فرستنده و گیرنده، رادار و .... - می باشد. تقویت کننده ها به صورت بلوک های مجزا در چندین مرحله و بسته به میزان تقویت مورد نیاز، وظیفه رساندن سطح سیگنال به میزان دلخواه را انجام می دهند. تقویت کننده های توان پر مصرف ترین بخش فرستنده های فرکانس رادیویی - RF - هستند. آنچه در طراحی تقویت کننده های توان اهمیت بیشتری نسبت به دیگر پارامترها دارد سطح توان خروجی می باشد.
در این مقاله از نرم افزار ADS برای طراحی و رسیدن به پارامترهای مطلوب از یک تقویت کننده توان در باند فرکانسی S با سطح توان خروجی 40dBm، بهره 21dB و نویز کمتر از 6dB استفاده شده است. با استفاده از تکنیک های بهینه سازی نتایج بهتری نیز حاصل شده است که تا حد بسیار زیادی قابل مقایسه و رقابت با محصولات شرکت های خارجی می باشد.
مقدمه
به طور رایج و متداول، تقاضای روز افزون برای ماژول های فرستنده گیرنده - T/R - رادار باند S برای کاربرد های نظامی و فضایی و عمومی وجود دارد. در سیستم های T/R، ماژول تقویت کننده توان بالا، بیشترین مصرف جریان و بزرگترین جزء سیستم T/R را دارا می باشد. برای بدست آوردن توان بالا در ماژول یا طرح، بایستی ترجیحاً به عنوان یک MMIC برای حداقل سازی و قابلیت تکثیر ماژول توسعه و گسترش داده شوند - دی هکت و همکاران، - - 2005بوش و همکاران، . - 2005 بنابراین، روش ترکیب کردن توان برای توان خروجی بالا و سایز کوچک چیپ بسیار با اهمیت می باشد. برای کاربردهای بیان شده، خطی بودن تقویت کننده توان فرکانس رادیویی نقش به سزایی ایفا می کند. این مقاله، طراحی و شبیه سازی تقویت کننده توان MMIC باند s ،10 واتی با مداری دو طبقه را شبیه سازی می کند.
مراحل طراحی تقویت کننده
مراحل کلی طراحی را می توان به صورت انتخاب ترانزیستور، انتخاب نقطه کار مناسب، بررسی پایداری ترانزیستور، اعمال مدارات فیدبک و در انتها طراحی مدار تطبیق در نظر گرفت که در ادامه به هر یک از این موارد اشاره می شود.
انتخاب ترانزیستور
اولین مرحله در طراحی یک تقویت کننده انتخاب مناسب ترانزیستور منطبق بر نیاز طرح می باشد. با توجه به صورت مسئله، ترانزیستور انتخابی باید در بازه فرکانسی مورد نظر عملکرد مطلوب را داشته باشد و همچنین قابلیت تولید و تحمل توان خروجی را نیز داشته باشد. معمولا فرکانس قطع ترانزیستور باید حداقل 10 برابر بزرگتر از فرکانس مرکزی باشد. از ترانزیستورهای کیت طراحی، ترانزیستور PHEMT-fED2ONl1 انتخاب شده است. از مهمترین مشخصه های ترانزیستور که در طراحی و برای رسیدن به مشخصات مطلوب باید مد نظر قرار بگیرد، تعداد فینگرها و عرض آنها می باشد. تاثیر مستقیم این دو پارامتر در مقدار توان قابل تحمل و جریان درین ترانزیستور می باشد که تعیین کننده نقطه کار مناسب برای آن می باشد. البته ولتاژ شکست ترانزیستور را نیز متناسب با نقطه کار مطلوب باید تغییر داد و معمولا 3 برابر بزرگتر از ولتاژ بایاس در نظر می گیرند.
تعیین نقطه کار مناسب
از تکنیک خط بار برای انتخاب نقطه بایاس مناسب ترانزیستور استفاده می شود - دی هکت و همکاران، . - 2005 توان خروجی 40dBm می باشد و مقاومت بار به صورت معمول 50 است. با در نظر گرفتن این نمودار و انتخاب یک مقدار معقول برای VDD می توان مقدار تقریبی از Ipeak ترانزیستور به دست آورد. برای داشتن حاشیه اطمینان مقدار جریان ماکزیمم کمی بیشتر از این مقدار انتخاب می شود. برای داشتن محدوده خطی بالا، جریان نقطه بایاس ترانزیستور نصف جریان ماکزیمم درین انتخاب می شود. رسیدن به این میزان جریان ماکزیمم در گرو انتخاب مناسب تعداد و عرض فینگرهای ترانزیستور می باشد. با توجه به محاسبات انجام شده، نقطه بایاس مطلوب ترانزیستورها به صورت زیر انتخاب شدند.
شکل:1 نمودار VDS بر حسب IDS در VGS های مختلف
پایداری ترانزیستور
بعد از تثبیت ولتاژهای بایاس، باید وضعیت پایداری ترانزیستور در پهنای باند مورد نظر بررسی شود. . با شبیه سازی انجام شده در ADS - شکل - 2 این ترانزیستور در قسمتی از باند مورد نظر ناپایدار است و لذا باید قبل از هر کاری، ترانزیستور پایدار شود.
شکل:2 ضریب پایداری ترانزیستور قبل از اعمال فیدبک
مدارات فیدبک
از روش های معمول پایدار کردن ترانزیستور استفاده از مدارات فیدبک است. پس از اعمال مدارات فیدبک به ترانزیستور، پارامتر K که پایداری ترانزیستور را نشان می دهد، مطابق شکل 3 به دست آمده است که در محدوده فرکانسی K>1 است و همانطور که مشاهده می شود مینیمم مقدار آن برابر 71 بوده و پایداری ترانزیستور را تضمین می کند.
شکل:3 نمودار پایداری ترانزیستور با اعمال مدار فیدبک
شکل:4 مدار فیدبک از گیت به درین
یکطرفه یا دو طرفه بودن ترانزیستور
تعیین وضعیت ترانزیستور از نظر یکطرفه یا دوطرفه بودن، نقش بسیار مهمی در طراحی مراحل بعد دارد. در مراجع مختلف از پارامتر M با عنوان ضریب شایستگی به این منظور استفاده می شود. فرمول این پارامتر در زیر آورده شده است.
اگر M<0.03 باشد، ترانزیستور یکطرفه بوده و طراحی بر این اساس ادامه می یابد. از مزیت های یکطرفه بودن ترانزیستور توانایی تطبیق بهتر در ورودی و خروجی به صورت همزمان خواهد بود. در غیر اینصورت تنها یک طرف را می توان تطبیق کرد. لذا داشتن یک ترانزیستور یکطرفه طراحی بهتر و ساده تری را به دنبال خواهد داشت. فرمول ضریب شایستگی ترانزیستور در نرم افزار ADS پیاده شده است.
شکل:5 ضریب شایستگی ترانزیستور بعد از اعمال مدار فیدبک
شکل:6 مدار فیدبک از گیت به زمین
طراحی مدارات تطبیق
برای داشتن خروجی بیشتر تقویت کننده توان، از مدارات تطبیق در خروجی استفاده شده است. مدار طراحی شده تقویت کننده طبقه اول و طبقه دوم در شکل 7 و 8 نشان داده شده است. طراحی بوسیله متناسب کردن توپولوژی تطبیق مناسب و استفاده کردن از هر دو المان های فشرده و توزیع شده بدست می آید - فلوریان و همکاران، . - 2005 در طراحی تقویت کننده توان، شبکه تطبیق خروجی که توان خروجی ماکزیمم را ازFET ها به بار 50 اهم منتقل می کند، نیز بایستی طراحی شود. شبیه سازی Load Pull با استفاده از نرم افزار برای تعیین توان و کانتورهای بار موثر انجام می شود و سپس Zopt امپدانس بار سیگنال بزرگ لازم و بهینه شده بدست می آید. شبیه سازی Tuning برای طراحی بهتر مدار انجام می شود.
Tuningدر محدوده ی 6dB قرار می گیرد که برای این تقویت کننده قابل قبول می باشد.
شکل :10 نمودار عدد نویز - nf - بر حسب فرکانس
شکل:7 مدار کلی طراحی شده طبقه اول بدون مدارات تطبیق
شکل :11 توان خروجی بر حسب توان ورودی از تقویت کننده در Vd=15v
شکل:8 مدار کلی طراحی شده طبقه اول بدون مدارات تطبیق
نتایج طراحی
در شکل 9، پارامترهای پراکندگی S22 , S12 , S11 نشان داده شده است و همانطور که مشاهده می شود گین مدار حدود 21dB با تطبیق مناسب در ورودی و خروجی به دست آمده است.
شکل :9 تلفات داخلی ورودی - S11 - و تلفات داخلی خروجی - S22 -
بهره سیگنال بزرگ - S21 - بر حسب فرکانس
همچنین باید ذکر کرد که ریپل S21، 0.8 dB می باشد که بسیار مناسب به نظر می رسد. ولتاژ درین و جریان به ترتیب , 2.3A 15v می باشند. در شکل 10 می توان دید که عدد نویز با اعمال
شکل :12 راندمان توان اضافه شده - PAE - از تقویت کننده بر حسب توان ورودی در Vd=15v
اشکال 11 و 12 به ترتیب توان خروجی برحسب توان ورودی و PAE مربوط به تقویت کننده روی توان ورودی در فرکانس مرکزی 3.4 GHz نشان می دهند. تقویت کننده، یک توان خروجی ماکزیمم برابر با 40dBm با %32 از PAE در فرکانس مرکزی 3.4 GHz و 20.5dB از S21 تحویل می دهد. روی پهنای باند 2GHz ، توان خروجی، بالاتر از 40dBm با یک PAE بسیار مسطح بین %30 و %33 می توان نتیجه گرفت.
نتیجهگیری
یک تقویت کننده توان بالا به صورت دو طبقه، برای کاربردهای راداری در باند S طراحی شده است. با استفاده از ترانزیستور با طول گیت 0.5um و تکنولوژی GaAs pHEMT طراحی صورت گرفته است. توان خروجی مدار برابر با 40dBm با %32 PAE و بهره 20.5dB در باند فرکانسی S طراحی شده است.
