ROZDZIAŁ II
CZYLI ZABAWA W ŚWIECIE IDEALNYM
2.1 Czy istnieje świat idealny ?
Wbrew pozorom to nie pytanie filozoficzne. Nie chcę tutaj poruszać bolączek naszego życia codziennego itd. Jednak świat elektroniki też nie jest idealny i od projektu do wykonania finalnego urządzenia jest najczęściej daleka droga gdzie kłody pod nogi rzucają nam powszechnie obowiązujące prawa fizyki.
Tak samo jest w przypadku wzmacniacza w.cz. - jednak od czegoś musimy zacząć więc pożyjmy chwilę w świecie idealnym. Takim światem idealnym będzie dla nas poznanie wybranego tranzystora czyli LDMOS-a BLP9G0722-20G. Takim światem będą symulacje czyli może taki nasz Matrix gdzie z pominięciem i bez uwzględniania wielu problemów trochę się pobawimy.
Jak przebrniemy przez ten świat idealny będziemy mieli już jakieś informacje które pomogą nam w dalszych pracach i kolejnych symulacjach które będą obejmować coraz więcej czynników z świata realnego.
2.2 A komu to potrzebne ? A dlaczego ?
No właśnie a komu to potrzebne ? Część danych mamy oczywiście dostępnych w umieszczonym w poście pierwszym Data Sheet. Mamy tam nawet przykładowe PCB na kilka pasm i sporo danych. Czy nie lepiej skopiować taki projekt np. z pasma 2100MHz które jest dostępne w DS- wpakować na laminat FR4, zmienić kilka kondensatorów coś tam lekko zmienić i będziemy mieli szybo działający układ ?
W zasadzie życie pokazuje że chyba tak można i nawet była z mojej strony na początku taka uszczypliwość :p właśnie gdy widziałem konstrukcje które najprawdopodobniej tak powstały i czasem nawet jakoś działają, a przynajmniej działają do jakiegoś czasu co pokazują później różne wpisy na forach lub blogach...
Zresztą tutaj nie chcę walczyć z wiatrakami bo wiem że świata nie zmienię, ale myślę że część osób będzie mogła sobie po moich wpisach na to pytanie samemu odpowiedzieć.
2.3 Modele nieliniowe
W zasadzie wzmacniacz wydaje się czymś prostym. Mamy tranzystor który ma na wejściu oraz wyjściu jakąś impedancję oraz możemy uzyskać jakieś wzmocnienie.
Tutaj w zasadzie największym problemem wydaje się jak poznać tą impedancje. Problemem jest to że będzie ona się zmieniać wraz z pasmem na które projektujemy taki wzmacniacz.
Czasami możemy dostać do danego tranzystora S-parametry lub jak mamy sprzęt pomiarowy coś tam sobie zmierzyć. Jednak wadą takich S-parametrów jest to że głównie ich pomiary odbywają się przy relatywnie słabych sygnałach więc w przypadku wzmacniaczy mocy pozostawiają wiele pytań.
Można oczywiście próbować dopasować tranzystor na drodze eksperymentalnej. Czyli budujemy wzmacniacz z jakimiś tam założeniami i później wszystko stroimy. O ile takie podejście możemy spokojnie stosować na niższych pasmach to im wyżej to staje się to coraz bardziej problematyczne. Właśnie tutaj z pomocą przychodzą udostępniane czasem przez producentów komponentów elektronicznych modele nieliniowe które możemy użyć podczas symulacji w procesie projektowania.
Tutaj mamy to szczęście że firma Ampleon udostępnia taki model dla tranzystora BLP9G0722-20G i na nim będziemy bazować. Jeśli chodzi o modele udostępniane przez firmę Ampleon to podając nazwę tranzystora możemy je wyszukać dla różnego oprogramowania pod tym linkiem:
Właśnie w dalszej części prac będziemy używać takiego modelu przeznaczonego dla oprogramowania ADS (Advanced Design System).
Tutaj powiem... tak wiem że nie każdy ma dostęp do ADS i jest to łagodnie mówiąc niezbyt tanie oprogramowanie. Jednak istnieje też darmowy QUCS który mocno wzorowany jest na ADS więc przynajmniej część symulacji tutaj opisanych spokojnie można będzie wykonać w QUCS jeśli kogoś na to najdzie ochota. Ot np. aby sobie trochę poeksperymentować...
2.4 Analiza stałoprądowa (DC) i wyznaczenie punktu pracy tranzystora
Budując wzmacniacz mocy do pracy przez QO-100 w emisji SSB chcemy najlepiej aby wzmacniacz pracował w pełni liniowo. To samo jest w przypadku wielu nowoczesnych transmisji cyfrowych gdzie wszelką nieliniowość pracy wzmacniacza możemy obserwować np. na wykresie konstelacji. Dlatego postaramy się aby wzmacniacz pracował optymalnie w klasie AB.
Najpierw możemy zerknąć w Data Sheet tranzystora (Table 1. Product profile):
Tutaj patrząc na tą tabelę na początku możemy przyjąć że optymalne warunki pracy stałoprądowej dla klasy AB zostały zdefiniowane przez producenta przy prądzie spoczynkowym drenu Idq = 180mA oraz napięciu zasilania Vds = 28V. W tych warunkach polaryzacji układ charakteryzuje się najlepszym kompromisem pomiędzy zyskiem mocy Gp, a sprawnością drenu ηd.
Mając takie informacje możemy spróbować dobrać punkt pracy tranzystora (Bias Point)...
W celu odtworzenia tych warunków przeprowadźmy sobie badanie charakterystyki przejściowej, wyznaczając precyzyjną wartość napięcia polaryzacji bramki Vgs, które pozwala na uzyskanie wymaganego prądu drenu o wartości 180 mA.
W tym celu stwórzmy sobie taki układ z modelem naszego tranzystora:
Jak widać ten model nieliniowy tranzystora trochę różni się od fizycznego tranzystora. Posada dwa dodatkowe wejścia tzn. Vgg i Vdd. W fizycznie istniejącym tranzystorze napięcie bias Vgg doprowadzamy przez bramkę, a Vdd przez dren. Wszystko to zależy od modelu jaki udostępnia producent - możemy też spotkać że będzie on wyglądał na ekranie jak klasyczny tranzystor czyli będzie posiadał tylko bramkę, dren i źródło. Takie dodatkowe "wyprowadzenia" mogą trochę wprowadzić w zakłopotanie zwłaszcza w późniejszym etapie gdzie będziemy chcieli sobie przetestować nasz tranzystor np. już zaprojektowanym dopasowaniem i doprowadzeniem bias-u do tranzystora. Jednak na chwile obecną możemy to pominąć o tym będzie trochę w przyszłości...
Wracając do samego schematu myślę że jest on zrozumiały. Mamy podłączone dwa źródła DC (SRC1 i SRC2) jedno podaje napięcie bias bramki czyli Vgs, a drugie napięcie dla drenu tranzystora czyli Vdc. Jak widać Vdc ustalone jest na sztywno na 28 V, natomiast napięcie Vgs będzie się zmieniało od 0 V do 10 V z krokiem 0,01 V co zdefiniowane jest w bloku PARAMETER SWEEP. Dodatkowo mamy jeszcze wpięty w układ "amperomierz" (I_Probe) gdzie realizujemy pomiar prądu drenu Idq.
Po uruchomieniu symulacji możemy tworzyć sobie dowolne wykresy na których przedstawione będą wyniki. Niżej zamieszczam wykres z tej symulacji :
Jak widać w osi X wykresu mamy napięcie bias bramki Vgs, natomiast w osi Y prąd drenu opisany jaki Idq.i. Na wykresie został umieszczony też marker który pozwolił nam wyznaczyć napięcie dla założonego prądu 180mA. Choć tutaj ze względu na ilość punktów symulacji jest to wybrana najbliższa wartość czyli 185mAi jest ona przy napięciu bias bramki na poziomie 2,19V.
W tym momencie już wiemy jakie napięcie bias (napięcie polaryzacji bramki) podać na bramkę tranzystora aby pracował on w optymalnych warunkach w klasie AB i wynosi ono wspomniane 2,19V.
2.5 Analiza małosgnałowa i ocena stabilności
Kolejnym etapem będzie przeprowadzenie analizy małosygnałowej czyli wyznaczenie charakterystyki wzmocnienia transmisyjnego S21 oraz współczynnika stabilności Rolletta (K) w paśmie od 100 MHz do 2,7 GHz.
Do symulacji posłuży nam następujący schemat:
Jak widać mamy tutaj już ustalone napięcie bias bramki na poziomie 2,19 V zapewniające nam prąd drenu 185mA. Oraz wpięte w bramkę i dren tranzystora obciążenia 50 ohm. Źródło tranzystora natomiast podłączone jest do masy.
Blok S-PARAMETERS definiuje nam zakres "przemiatania" czyli w jakim zakresie będziemy testować nasz tranzystor i tutaj wyznaczone jest od 0,1 GHz do 2,7 GHz z krokiem 0,01 GHz.
Po uruchomieniu symulacji otrzymaliśmy następujące wyniki:
Tutaj pozostaje wyjaśnić tylko jedną kwestię. O ile parametru S21 chyba nie potrzeba tłumaczyć 
to Rolletta (K) wyliczany jest według formuły K = stab_fact(S) i tak jest opisany na wykresie.
to Rolletta (K) wyliczany jest według formuły K = stab_fact(S) i tak jest opisany na wykresie.
Wzmocnienie małosygnałowe gołej struktury półprzewodnikowej bez zewnętrznych obwodów dopasowania w paśmie pracy satelity QO-100 wynosi 4,76 dB (marker m1). Tak niska wartość wynika z naturalnego niedopasowania impedancji wejściowej i wyjściowej tranzystora LDMOS do systemowej impedancji 50ohm (takie obciążenie zastosowaliśmy w naszym schemacie przeznaczonym do symulacji).
Charakterystyka S21 wykazuje silne nachylenie w kierunku niższych częstotliwości, osiągając wartość ponad 25 dB przy 100 MHz, co jest zjawiskiem typowym dla struktur LDMOS i stanowi potencjalne źródło wzbudzeń szerokopasmowych.
Natomiast współczynnika Rolletta (K) wykazuje, że w docelowym paśmie pracy układ charakteryzuje się stabilnością warunkową. Wartość parametru K na częstotliwości 2,400 GHz wynosi 1,005 (marker m3), natomiast przy 2,410 GHz spada poniżej krytycznej granicy bezpieczeństwa do poziomu 0,986 (marker m4).
Mówiąc trochę prościej praca wzmacniacza w obszarze K < 1 dopuszcza możliwość powstania generacji pasożytniczych pod wpływem zmian impedancji obciążenia (np. niedopasowania anteny). W takim wypadku nasz wzmacniacz może zacząć zachowywać się jak generator, a z samego tranzystora LDMOS poleci nam magiczny dym
Teraz czy coś z tym możemy zrobić zobaczymy w następnej części...
cdn.
Charakterystyka S21 wykazuje silne nachylenie w kierunku niższych częstotliwości, osiągając wartość ponad 25 dB przy 100 MHz, co jest zjawiskiem typowym dla struktur LDMOS i stanowi potencjalne źródło wzbudzeń szerokopasmowych.
Natomiast współczynnika Rolletta (K) wykazuje, że w docelowym paśmie pracy układ charakteryzuje się stabilnością warunkową. Wartość parametru K na częstotliwości 2,400 GHz wynosi 1,005 (marker m3), natomiast przy 2,410 GHz spada poniżej krytycznej granicy bezpieczeństwa do poziomu 0,986 (marker m4).
Mówiąc trochę prościej praca wzmacniacza w obszarze K < 1 dopuszcza możliwość powstania generacji pasożytniczych pod wpływem zmian impedancji obciążenia (np. niedopasowania anteny). W takim wypadku nasz wzmacniacz może zacząć zachowywać się jak generator, a z samego tranzystora LDMOS poleci nam magiczny dym
Teraz czy coś z tym możemy zrobić zobaczymy w następnej części...
cdn.
Tomek - SP6VGX (SWL: SP-0316-JG)
http://www.sp6vgx.pl/
http://www.sp6vgx.pl/