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).
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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.

Обязательно, если это классический каскод.


Вы сами убедились, что влияет.
Конденсатор устраняет ООС на частоте усиливаемого сигнала.

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.

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.

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

0 Вольт

Т.е. лучше задавать напряжение на базе второго транзистора. Просто он по току сильно чувствительный, при 200 мкА, напряжение на нижнем тр-ре Uc1 = 2.64 В. При токе 198 мкА, уже Uc1 ~ 2 В. Вот что получилось:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

К коэффициенту шума нет требований, нужно настроить на выходную мощность, поэтому использую индуктивность в цепи питания коллектора. Чтобы не было лишнего падения напряжения, а все в нагрузку шло.

Перед тем согласовывать, я хотел застабилизировать каскод, т.е. сделать коэффициент устойчивости К стал больше 1, используя, например параллельную RC цепочку по входу, или резисторы в цепях питания, а также в случае необходимости обратные связи (например? параллельную по напряжению при помощи RC цепи, и резистор в цепь эмиттера). Смущает тот факт, что коэф. К (он на графике справа) существенно меньше 1, даже в отрицательную область заходит (где-то читал что наоборот каскод более устойчивый). И еще коэффициент усиления максимальный около 40 дБ. Как то это подозрительно.

правильно.

а нулевой размах можно получить не только на полпитании,но и на нуле питания и на самом питании...
полпитания тут не причём, короче!

При любом постоянном напряжении на коллекторе нижнего трранзистора будет близкое к нулю переменное напряжение, потому как он должен отдавать в нагрузку (эмиттер верхнего транзистора) ток, а не напряжение. Верхний транзистор здесь включен по схеме ОБ, поэтому имеет низкое входное сопротивление. Полпитания означает, что транзисторы находятся в одинаковых условиях по постоянному току.

Спасибо! Но непонятно. Можете пояснить как там образуется ООС?

40dB многовато. Попробуйте смоделировать в AWR (MWO) и вычислить коэффициент устойчивости и Maximum Available Gain.

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?

Вот именно поэтому потенциал "полпитания" в точке соединения транзисторов не нужен. Чтобы отобрать максимум напряжения в нагрузку, полпитания должно быть на коллекторе верхнего транзистора.

Моделирую в ADS, там просто модель этого транзистора есть. В ADS считаю max_gain и коэф. устойчивости при помощи вшитых в САПР формул. Дело в том что один транзистор в рабочей точке Uc=2 В, Ic = 20 mA дает около 20 дБ максимального коэффициента усиления, но при этом коэф. К получше, его удается сделать больше 1.



А остальные полпитания где? В нагрузке? мне нужен ВЧ усилитель, поэтому на нагрузке желательно иметь максимум размаха переменного напряжения, а все питание на транзисторы. Выбрал питание 4 В, по 2 В на каждый из тр-ров. Токи базы примерно одинаковы ~200 мкА.

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.

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.

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.

Изменение тока эмиттера верхнего транзистора (ОБ) влечет и изменение тока базы. Конечное сопротивление базового делителя приводит к изменению и напряжения базы. Уменьшение тока эмиттера приводит к увеличению напряжения на базе, что уменьшает изменение тока эмиттера. Это как в каскаде с ОЭ с эмиттерной стабилизацией по постоянному току. Для уменьшения влияния базового делителя на коэффициент усиления база транзистора должна быть подключена к источнику с низким выходным сопротивлением на частоте усиления. На ВЧ это проще сделать, зашунтировав делитель конденсатором.

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

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.

Подумайте, какая должна быть граничная нижнего по схеме транзистора!

У нижнего ft с запасом, около 40-50 Ггц. Каскод я применил, чтобы добиться сложения напряжений. Транзисторы поменять не могу, и так самые большие взял. Ну и по статьям просто все так делают - каскод и параллельные транзисторы.

Если не секрет, какой тип транзисторов закладывали?

Это интегральная технология. Измерения ВАХ есть только до 3 В, но пишут что модель действительно вплоть до 4.5 В.

Мне тоже стало интересно и я смоделил в AWRDE. Сперва классический каскад с ОЭ, а затем каскод. Чтобы получить на выходе заданную мощность, и хотя бы усиление 11dB, пришлось проделать следующее:
1. Изменить некоторые параметры в модели транзистора GBJT, предлагаемой по умолчанию: снизить постоянную времени задержки база-коллектор с 0,017 до 0,001ns, уменьшить сопртивление базы до 1 Ohm.
2. Повысить начальный постоянный ток коллекторов транзисторов с 22 до 43mA.
3. Уменьшить эмиттерный резистор с 10 до 5 Ohm и зашунтировать его блокировочным конденсатором.
4. Ввести на вход и на выход цепи согласования (в виде условно четвертьволновых отрезков линий), потому как без них входное сопротивление каскада 14 Ohm, выходное 31 Ohm.
5. Не устанавливать блокирующий конденсатор с базы верхнего транзистора на землю, с ним все признаки самовозбуда: на диаграмме Смита входного импеданса вся кривая выскакивает в "молоко", то есть активная часть входного сопротивления отрицательна.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла Нажмите для просмотра прикрепленного файла
По нагрузочной петле получается, пиковый ток нижнего транзистора 142mA, пиковое напряжение 3,4V.
Получается, что каскодная схема более устойчива, чем простой ОЭ, при любых настройках согласующих цепей не возбуждается. Можно еще попытаться повысить коэффициент усиления установкой последовательной RC-цепочки с базы верхнего транзистора на землю.

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.

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

Существенно нелинейный режим - обычный для передатчиков, и обычно разработчик знает, на что идет ради получения мощности. Линейный режим класса А в усилителях мощности передатчиков мы когда-то применяли в загоризонтных РЛС. Там это было необходимо из-за сложных видов модуляции.

MW_des
Установка в базу верхнего транзистора цепочки 100pF-68 Ohm на землю позволила поднять усиление до 15dB без потери устойчивости. Это уже предел.

Да, приемлима. Рабочая точка AB выбрана как компромисс между усиление и кпд, т.к. потребление в контексте этой задачи важно, не более 100 мА. Отсчека приемлима, по плану это должен быть усилитель гетеродина для двойного балансного смесителя.

По поводу плеча: хотел еще потом попробовать объединить в диф.каскад. Т.к. у смесителя вход гетеродина дифференциальный и сейчас включен через трансформатор. Можно поставить усилитель гетеродина как перед так и после трансформатора, главное чтоб 16 дБм было.



4. По поводу согласующих цепей: входную и выходную емкость вы компенсировали индуктивностью четвертьволновых отрезков (т.е. поэтому длина не 90 град)?
5. Вот с блокировочным конденсатором интересно... Я тоже когда добивался устойчивости, то ставил последовательную RC цепь, без нее коэф.устойчивости сваливался в отрицательные значения. Без него макс.усиление было где-то 17-18 дБ, что меня в принципе устраивало. Все-таки непонятно - нужен этот конденсатор или нет. В статьях и книжках которые читал везде по разному. Где-то ставят, где-то нет. Но нигде пока не объясняли почему он нужен) Про ООС честно пытался понять, но без успеха. Знаю только 2 классические - параллельную по напряжению (с выхода на вход тянем какую-нибудь RC цепь) и последовательную по току (резистор или индуктивность в цепи эммитера/истока).

Кстати, можете ваш проект выложить? Интересно было бы посмотреть

Это так, поигрался просто, проект еще далеко неполный, остался на рабочем компе. Как только приду в контору к 9:00, так и выставлю.
Длину согласующих линий подбирал "экспериментально" встроенным тюнером AWRDE по критерию выходной мощности, усиления и устойчивости. Более точно согласование можно подобрать включая параллельно концам основной линии короткие "емкостные" (разомкнутые на одном конце) отрезки линий. Учитывая, что плечо усилителя будет нагружено на оптимальное 25 а не 50 Ohm, выходную согласующую цепочку можно вообще не ставить.
В режиме большого сигнала коэффициент устойчивости теряет смысл, поэтому критерием устойчивости должно быть положительное значение активной части входного импеданса. Чтобы вся кривулька на диаграмме Смита не заходила за пределы самой диаграммы.
Идея включить резистор последовательно с блокировочной емкостью с базы верхнего транзистора пришла в процессе "виртуальной настройки" как золотая середина между наличием и отсутствием блокировочного конденсатора.
Построение дифкаскада вместо симметрирующего трансформатора - весьма технологично, особенно в микросхемотехнике, однако перед подачей сигнала гетеродина на смеситель, его надо пропустить через ФНЧ, который должен задавить гармоники. Высокий уровень гармоник - следствие использования класса АВ в усилителе, а гармоники гетеродина на диодном смесителе ведут к ухудшению характеристик смесителя. Так, наличие четных гармоник эквивалентно разбалансу балансного смесителя, со всеми вытекающими последствиями.

Собственно проджект:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

базовый делитель в помощь =)
а вообще, если вы делаете по интегральной технологии, то можете использовать транзитор в диодном включении

типа такого

про делитель это понятно. Просто хочется еще потом покрутить напряжения отдельно, чтобы на практике выбрать оптимальный режим.

Разработал схему со сложением мощности от нескольких транзисторов (каскодов). Есть немного глупый вопрос - как правильно параллелить каскод?
Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Результаты моделирования для всех 3 вариантов одинаковые. Может тут есть какие-то подводные камни? Сейчас использую схему включения 1, но иногда кажется что 2 или 3 схема более правильная что-ли.

Разработать схему и нарисовать схему - разные вещи. Разработка в конечном итоге предполагает выдачу рабочего образца, опытного, макетного. Если находитесь на стадии компьютерного моделирования, как говорится "еще не вечер". Варианты схем объединения в принципе равнозначны (а 2 и 3 в принципе одно и тоже), но если первый вариант удовлетворяет, продолжайте его внедрять в железо (в чип). 2 и 3 варианты могут потребовать установку в эмиттеры верхних транзисторов выравнивающих резисторов.

По топологии получается 1 вариант попроще, т.к. нет общей линии которая объединяет эмиттеры-коллекторы внутри каскода. И неясно, что будет если их объединить, т.к. для компьютерного моделирования нет разницы. Просто в одной статье нашел топологию где явно видно что есть общая шина для эмиттеров-коллекторов внутри каскода, это и смутило. До этого параллелил именно каскодное включение тр-ров.
А зачем будут нужны выравнивающие резисторы в эмиттерах?

Обычно их ставят для выравнивания токов, их номиналы небольшие, по несколько Ohm.

Можно не изобретать велосипед). Это уже давно есть в интегральном исполнении, например TGA2227, 2567.
Делал на подобных микросхемах усилители 40МГц-40ГГц.

Кстати, очень не рекомендую использовать биполярные транзисторы в широкополосных трактах.
Большая нелинейность и высокий порядок нелинейности.

ну в принципе то можно и радары и все оборудование радиоэлектронное закупать, как сейчас и происходит. Надо бы и свое что-то развивать, на уровне ИС.
Triquint делает усилители в основном на GaAs и GaN технологиях, в моем конкретном случае этих технологий нет.
Был вариант использовать полевики, но почему-то посмотрев статьи, пришел в выводу что надо делать на биполярных транзисторах.

GaN cкоро так же вытеснит кремний, как кремний германий.

тут смотря для чего, если нужны лучшие параметры, то да, но и цена будет соответствующая. При использовании кремния, кремний германия, цены ниже получаются, стоимость ИС меньше. Интеграция с цифровой частью опять же, системы на кристалле.