Каскад на биполярных транзисторах Опции

[MW_des]

Здравствуйте, уважаемые форумчане, помогите разобраться с вопросом.

Имеется высокочастотный биполярный транзистор. Вот его ВАХ. Рабочую точку при включении с ОЭ выбрал следующую: Uc = 2 V, Ic = 20 mA, Ib = 200 uA (или где-то Ube = 0.85 V).


Коэффициент усиления (S21 и max gain - при условии согласования) в этой рабочей точке следующий:



Вопрос - как на этом транзисторе построить каскод? Задача стоит разработать усилитель мощности на каскоде, частота 5 Ггц, полоса 300 МГц, усиление 20 дБ.
1) как выбрать напряжение (или все-таки лучше задавать ток?) на базе второго транзистора (который включен с ОБ)? Исходя из каких соображений? Выбрал такой же ток базы как и у транзистора с ОЭ, получил следующее:



2) обязательно ли нужен конденсатор на базе второго биполярника? Понимаю, что это конденсатор фильтр по питанию, земля во ВЧ сигналу. Но по моему мнению он не должен ни на что особо влиять. Однако, если его убрать, то коэф.передачи падает на 20 дБ, а коэф. устойчивости выбирается из "минуса", но все равно ниже 1.

[Proffessor]

Напряжение на коллекторе нижнего (эмиттере верхнего) транзистора должно быть половина напряжения питания, из этого надо исходить, задавая напряжение на базе верхнего транзистора. Если требования по коэффициенту шума не тредъявляются, то надо выжать максимум усиления, а для этого оптимально согласовать вход и выход каскада по мощности со стандартным 50-омным трактом. Не превышая при этом максимальный устойчивый коэффициент усиления.

[1113]

Напряжение на коллекторе нижнего (эмиттере верхнего) транзистора должно быть половина напряжения питания, из этого надо исходить

откуда нижний транзистор знает какое оно - напряжение питания. чтобы понять что при половинном он находится в идеальных условиях?

[Proffessor]

откуда нижний транзистор знает какое оно - напряжение питания. чтобы понять что при половинном он находится в идеальных условиях?

Знает не транзистор, а знает разработчик. Половина питания - это максимально возможный динамический диапазон и усиление.

[1113]

Знает не транзистор, а знает разработчик. Половина питания - это максимально возможный динамический диапазон и усиление.

и какой максимальный размах напряжения (в вольтах) можно получить в таком случае на коллекторе нижнего (эмиттере верхнего) транзистора?

[MW_des]

и какой максимальный размах напряжения (в вольтах) можно получить в таком случае на коллекторе нижнего (эмиттере верхнего) транзистора?

Насколько я понял из ВАХ, напряжение пробоя этого транзистора равно ~3 В. Напряжение насыщения составляет около 0.5-1 В (ну и размах по напряжению соответственно 2-2.5 В). Поэтому оптимальная точка для максимального размаха по напряжению равна 1.5-2 В. По току выбран не А режим, а AB, чтобы кпд был повыше. Или я в принципе неправильно задаю питание каскода?

[Proffessor]

Насколько я понял из ВАХ, напряжение пробоя этого транзистора равно ~3 В. Напряжение насыщения составляет около 0.5-1 В (ну и размах по напряжению соответственно 2-2.5 В). Поэтому оптимальная точка для максимального размаха по напряжению равна 1.5-2 В. По току выбран не А режим, а AB, чтобы кпд был повыше. Или я в принципе неправильно задаю питание каскода?

Режим AB - это режим большого сигнала, и он имеет смысл только для усилителей мощности передатчиков, одновременно в режиме AB теряется смысл рассмотрения малосигнальных S-параметров. Вам следовало бы начинать с требования по мощности в нагрузке, и отсюда пошли бы все режимы по току-напряжению, и мощность на входе усилителя. Оптимизировать режим питания надо уже в процессе гармонического анализа исходя из условия максимальной мощности первой гармоники и недопущения пробоя/перегрева транзисторов.

Сообщение отредактировал Proffessor - Jun 7 2016, 08:40

[MW_des]

Режим AB - это режим большого сигнала, и он имеет смысл только для усилителей мощности передатчиков, одновременно в режиме AB теряется смысл рассмотрения малосигнальных S-параметров. Вам следовало бы начинать с требования по мощности в нагрузке, и отсюда пошли бы все режимы по току-напряжению, и мощность на входе усилителя.

Мощность 16 дБм. Планировал добиться увеличения выходной мощности увеличением кол-ва транзисторов (т.е. сложить выходные токи, т.к. напряжение пробоя низкое). Но пока хочу разобраться с работой простого каскода, как задавать токи, напряжения. Рассчитать сколько я смогу получить мощности с одного каскода (с учетом всех стабилизаций и прочего).

про режим AB я больше имел ввиду выбор рабочей точки. Анализирую пока малосигнальные параметры, пытаюсь разобраться откуда 40 дБ, застабилизировать тр-р. Потом собираюсь сделать load pull моделирование - настройку импеданса по выходу на макс.мощность. По входу на максимальное усиление.

[Proffessor]

40dB - это скорее всего максимально возможное усиление (Maximum Available Gain), а есть еще такой параметр - максимальный устойчивый коэффициент усиления (Maximum Stable Gain), найдите его в своем ADS, он должен быть существенно меньше 40dB.
16dBm - это всего лишь 2V амплитудного значения на нагрузке 50 Ohm. С одного каскада на маломощных транзисторах получить можно без проблем, если усилитель заставить отдавать больший ток в меньшую нагрузку (например 25Ohm) и поставить между выходом усилителя и нагрузкой согласующую цепь 25/50.

[MW_des]

40dB - это скорее всего максимально возможное усиление (Maximum Available Gain), а есть еще такой параметр - максимальный устойчивый коэффициент усиления (Maximum Stable Gain), найдите его в своем ADS, он должен быть существенно меньше 40dB.
16dBm - это всего лишь 2V амплитудного значения на нагрузке 50 Ohm. С одного каскада на маломощных транзисторах получить можно без проблем, если усилитель заставить отдавать больший ток в меньшую нагрузку (например 25Ohm) и поставить между выходом усилителя и нагрузкой согласующую цепь 25/50.

По поводу Gmax и MSG

MSG - это коэф.усиления при потенциально неустойчивом тр-ре (определение из хелпа AWR), рассчитывается как |S21/S12|.

Gmax - это сводная характеристика, которая при коэф.устойчивости K>1 рассчитывается как |S21/S12|*(K-aqrt(K^2-1)), т.е. он при всех положительных меньше MSG. А вот при K<1 Gmax уже считается как |S21/S12|.

Проверил по S-параметрам и в ADS и в AWR, функции Gmax идентичны, 40 дБ и K<-1.

Другое дело, что я добавил цепь стабилизации и вот что получилось.

Хотелось бы спросить - вот теперь у меня есть три питающих напряжения (2 В, 2.85 В и 4 В). Как грамотно организовать питание каскода?

[Proffessor]

Ну, в режиме большого сигнала расчет Gmax, MSG по S-параметрам не имеет практического смысла. Вообще, для каскада усиления мощности передатчика рассчитывать на коэффициент усиления >20dB не приходится. Максимум 15dB. Режим по постоянному току для начала можно оставить таким, как Вы нарисовали. Далее подключить в модели усилителя на вход гармонический порт, задать какой-то уровень сигнала, и определить на выходе мощность первой гармоники. При оптимальном угле отсечки косинусоидального импульса 110град для режима АВ относительный уровень второй гармоники должен быть около -12dBc, третьей -20dBc. Подкорректировать входную мощность, чтобы получить на выходе 16dBm первой гармоники. Если коэффициент усиления получается слишком низкий (<10dB), добавить на входе согласующую цепочку, оптимизировать ее. Затем посмотреть осциллограмы напряжений на коллекторах и эмиттерах транзисторов и проверить, чтобы мгновенное напряжение коллектор-эмиттер не превысило максимально допустимое для данного типа транзисторов. Если превышает, снизить сопротивление нагрузки и добавить на выход согласующую цепь. При этом мгновенный ток коллектора не должен превышать максимально допустимого.

Сообщение отредактировал Proffessor - Jun 7 2016, 11:01

[petrov]

При оптимальном угле отсечки косинусоидального импульса 110град для режима АВ относительный уровень второй гармоники должен быть около -12dBc, третьей -20dBc. Подкорректировать входную мощность, чтобы получить на выходе 16dBm первой гармоники.

А для усиливаемого сигнала топик стратера отсечка приемлема?

[Proffessor]

А для усиливаемого сигнала топик стратера отсечка приемлема?

Режим усиления AB по определению предполагает полную (90 град) или частичную (>90град) отсечку отрицательной полуволны. Для передатчиков это наиболее часто используемый режим. Если этот усилитель предполагается использовать как плечо в двухтактном каскаде, то в результате не теряется и отрицательная полуволна.

[petrov]

Если этот усилитель предполагается использовать как плечо в двухтактном каскаде, то в результате не теряется и отрицательная полуволна.

Нет ясности, плечо не плечо, а то как бы потом не оказалось, что из-за вносимых искажений в усилителе нет смысла.