Projekt Breitbandverstärker

HFT-Praktikum
Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014)
BB/1
1. Grundsätzliches
Ziel des Versuchs ist der Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers für den Frequenzbereich von 50 MHz
bis 500 MHz, der eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω angepasst sein soll. Die S-Parameter des
Verstärkers sollen gemessen und die Rauschzahl und Rauschtemperatur bestimmt werden. Der Versuch erstreckt sich über drei Labortermine. Während der ersten beiden Termine werden vorbereitende
Berechnungen und Messungen durchgeführt. Bei den weiteren Terminen ist dann der Verstärker freitragend auf einer kupferkaschierten Platine aufzubauen, so dass die S-Parameter und die Rauschzahl
gemessen werden können. Zu jedem Termin sind die jeweiligen Vorbereitungsaufgaben von jedem Laborteilnehmer schriftlich zu lösen. Diese sind zu Beginn des Termins bei dem Betreuer von jeder Gruppe
abzugeben und teilweise vor der Gruppe zu präsentieren bzw. vorzurechnen. Nach den drei Terminen
ist spätestens drei Werktage vor der abschließenden Rücksprache am 08. Juli 2014 ein Protokoll abzugeben, welches den Umfang von 20 Seiten nicht übersteigen sollte. Für eine erfolgreiche Durchführung
des Versuchs ist die Kenntnis der entsprechenden Kapitel der angegebenen Literatur Voraussetzung.
2. Grundprinzip
u
UBat
C3
R2
u
E
u
C1
u
R1
BFR91
@
R
@
A
C2
Bild 1: Schaltbild des einstufigen Verstärkers
Der Verstärker soll eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω betrieben werden. Die Leistungsverstärkung
erfordert daher eine Verstärkung von Strom und Spannung. Ohne Impedanztransformation ist dies
nur mit einer Emitterschaltung wie zum Beispiel in Abbildung 1 möglich. Als aktives Element soll der
npn-Silizium-Transistor BFR91 verwendet werden (siehe beigefügtes Datenblatt).
2.1. Kleinsignal-HF-Ersatzschaltbild
Um die HF-Eigenschaften des Transistors charakterisieren zu können, wird das aus der Vorlesung bekannte Giacoletto-Ersatzschaltbild verwendet [1]. In Abbildung 2 wurden zusätzlich zum vereinfachten
Giacoletto-Ersatzschaltbild an Basis und Kollektor noch Zuleitungsinduktivitäten eingefügt.
TU Berlin – FG Hochfrequenztechnik, Dr.-Ing. Stefan Warm
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c12e ccsp
B
e
u
L
e
u
rb
re 0
u
U b0 e
u
E
?
ce 0
u
u
L
1
? re U b0 e
u
BB/2
C
e
e
Bild 2: Vereinfachtes Giacoletto-Ersatzschaltbild eines bipolaren Transistors mit Zuleitungsinduktivitäten
3. Termin 1
3.1. Vorbereitungsaufgaben
3.1.1. Gleichstrom-Arbeitspunkt
• Welche Versorgungsspannung UBat ist laut Datenblatt maximal zulässig, ohne den Transistor zu
gefährden? Wählen Sie eine um 3 Volt niedrigere Versorgungsspannung UBat !
• Durch welche zwei Mechanismen wird die Wechselspannungsauslenkung am Kollektor begrenzt,
bzw. wann treten starke Verzerrungen auf? Wie muss also die Gleichspannung am Kollektor
gewählt werden, um maximale Auslenkungen zu ermöglichen?
• Der Emittergleichstrom wird durch die maximale Verlustleistung begrenzt. Welcher maximale
Strom wäre hier zulässig?
• Bestimmen Sie die Widerstände R1 und R2 für IE = 30 mA! Setzen Sie hierfür eine Gleichstromverstärkung von 50 an.
3.1.2. Bestimmung der Streuparameter des Transistors
Mit Hilfe des Giacoletto-Ersatzschaltbildes lassen sich auch die S-Parameter des Transistors bestimmen. Im Folgenden ist S 11 unter der Annahme zu bestimmen, dass c12e = ccsp = 0 gilt. Bestimmen
Sie zunächst re 0 und ce 0 für β0 = 80 und ωα = ωT für IE = 30 mA (UT = 25 mV). Bestimmen Sie
für eine Zuleitungsinduktivität von L = 1.5 nH den Basisbahnwiderstand rb für möglichst gute Übereinstimmung mit den Werten aus dem Datenblatt. Vergleichen Sie die berechneten Werte mit denen
aus dem Datenblatt in einem Smith-Diagramm. Erläutern Sie anhand des Smith-Diagrammes, warum
zusätzlich zum normalen Giacoletto-Ersatzschaltbild die Zuleitungsinduktivität gebraucht wird.
3.1.3. Die Koppelkondensatoren
Die Kapazitäten C1 , C2 und C3 sind idealerweise unendlich groß. Mit der Kapazität eines Kondensators
wächst leider im Allgemeinen die parasitäre Induktivität, so dass der Blindwiderstand für hohe Frequenzen sehr groß wird. Skizzieren Sie den erwarteten Frequenzverlauf von S 11 eines Serienschwingkreises
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in einem Smith-Diagramm. Bestimmen Sie den Frequenzverlauf von |S 21 | für mindestens 6 Kombinationen von L = 5 . . . 50 nH und C = 1 . . . 100 pF für einen Bereich von 1 MHz bis 2 GHz und geben
Sie die jeweilige Resonanzfrequenz an.
3.2. Praktischer Teil
Im praktischen Teil erhalten Sie zunächst eine Einführung in das Programm „Ansoft Designer“, sofern
keine Vorkenntnisse aus der Rechenübung zu Hochfrequenztechnik I vorliegen. „Ansoft Designer“ dient
der Bestimmung von S-Parametern sowie dem Design von Mikrowellenschaltungen. Im Rahmen dieses
Labors wird nur die erstgenannte Anwendung genutzt. Folgende Punkte sind im Rahmen dieses Termins
zu bearbeiten:
• Machen Sie sich mit den grundlegenden Befehlen der Menüführung vertraut.
• Entwerfen Sie eine LC–Reihenschaltung und bestimmen Sie S 11 (Smith-Chart) und |S 21 | entsprechend der dritten Vorbereitungsaufgabe.
• Wie ändert sich der Verlauf von S 11 , wenn zusätzlich zur Kapazität (LC–Reihenschaltung)
auch mögliche Zuleitungen berücksichtigt wird? Nehmen Sie hierbei an, dass die Kapazität mit
C = 50 pF und L = 10 nH zwei Zuleitungen mit jeweils einer Induktivität von 10 nH und einer
Kapazität von 1 pF aufweist. Welche Annahme wurde bei der Beschreibung der Zuleitungen mit
jeweils nur einer Kapazität und Induktivität gemacht?
• Entwerfen Sie eine Schaltung entsprechend dem Giacoletto-Ersatzschaltbild mit rb = 45 Ω,
c12e = 0.65 pF und ccsp = 0.1 pF. Verwenden Sie hierbei die bereits vorgegebene gesteuerte
Stromquelle aus der Datei stromquelle.s2p. Achten Sie besonders auf das richtige Verschalten
der Stromquelle.
4. Termin 2
4.1. Vorbereitungsaufgaben
• Leiten Sie die in Anhang A angegebenen S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle analytisch
her.
• Bestimmen Sie mit Hilfe des Programmes „Ansoft Designer“ die Streuparameter des Transistors.
Vergleichen Sie sie mit den Werten im Datenblatt sowie mit dem analytisch bestimmten S 11 .
Zeichnen Sie dazu S 11 und S 22 in ein Smith-Diagramm. Die Ortskurven von S 12 und S 21 sind
in ein Diagramm für Polarkoordinaten und als Betrag in kartesischen Koordinaten zu zeichnen.
• Versuchen Sie durch sinnvolle Modifikation der Parameter bzw. weitere parasitäre Komponenten
die Übereinstimmung zwischen Simulation und Datenblatt zu verbessern.
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4.2. Praktischer Teil: Leitungsinduktivitäten
• Machen Sie sich mit dem Netzwerkanalysator genauer vertraut.
• Zunächst soll die parasitäre Induktivität der Anschlussdrähte untersucht werden. Dazu wird ein
Koppelkondensator viermal hintereinander mit jeweils verschiedenen Längen der Anschlussdrähte
zwischen die BNC-Buchsen der Platine gelötet. Mit dem Netzwerkanalysator lassen sich nun die
Streuparameter der LC-Reihenschaltung bestimmen. Die Induktivität lässt sich ungefähr mit der
aufgedruckten Kapazität aus der Resonanzfrequenz bestimmen. Zeichnen Sie die Induktivität
über der Länge auf und formulieren Sie daraus eine Merkregel Induktivität pro Länge in nH/mm!
Beachten Sie diese Merkregel beim Aufbau des Verstärkers und schätzen Sie den Einfluss der
Induktivitäten bei f = 1 GHz ab!
• Analog zu den Vorbereitungsaufgaben ist der nutzbare Frequenzbereich verschiedener Kondensatoren, d.h. Kapazitäten und Induktivitäten entsprechend der Anschlussdrähte, zu bestimmen.
Dazu werden die Kondensatoren wiederum in Transmission zwischen die beiden BNC-Buchsen
gelötet. Geben Sie den Verlauf von S 11 im Smith Diagramm und von |S 21 | in kartesischen Koordinaten an. Vergleichen Sie Ihre Messergebnisse mit den vorher durchgeführten Simulationen
(Termin 1).
Für den Verstärker sollte der nutzbare Frequenzbereich (|S 21 | ≥ 3 dB) mindestens von 50 MHz
bis 500 MHz reichen entsprechend einer geringen Güte Q des resultierenden Schwingkreises.
Nimmt man als einzige ohmsche Elemente die beiden Leitungswellenwiderstände mit 50 Ω an,
so ergibt sich die Güte des Schwingkreises zu Q = ω0 L/100 Ω mit ω02 = 1/LC.
Wählen Sie nach den Messungen einen geeigneten Kondensator aus!
4.3. Praktischer Teil: Messung der Streuparameter
Die Verstärkerschaltung aus Abbildung 1 ist freitragend auf der Kupfer-kaschierten Platine aufzubauen.
Berücksichtigen Sie hierbei den Einfluss der Zuleitungsinduktivitäten! Erläutern Sie die Funktion der
Kapazität C3 (C3 ≈ 1 nF). Die S-Parameter des Verstärkers sollen nun zwischen 4 MHz und 1.3 GHz
gemessen und skizziert werden (Transmission nur als Betrag, Reflexion im Smithdiagramm). Da der
Netzwerkanalysator je nach Modell eventuell nur in eine Richtung messen kann, müssen in diesem Fall
Ein- und Ausgang des Verstärkers vertauscht werden, um S 12 und S 22 messen zu können. Wie groß
ist der Gewinn bei 110 MHz?
Vergleichen Sie die gemessenen S-Parameter mit den vorher berechneten und denen aus dem Datenblatt. Wie lassen sich eventuelle Abweichungen erklären? Gehen Sie hierbei auf etwaige Abweichungen
des simulierten Modells von dem tatsächlich Laboraufbau ein.
5. Termin 3
5.1. Vorbereitungsaufgaben
• Wie sind Rauschzahl und Rauschtemperatur definiert?
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• Wie ergibt sich die Rauschzahl für beliebig viele hintereinandergeschaltete Vierpole?
• Machen Sie sich mit der 3-dB-Methode zur Messung der Rauschzahl vertraut (siehe [2]). Wie
kann diese Methode auch ohne 3-dB-Dämpfungsglied durchgeführt werden?
5.2. Praktischer Teil
• Verbinden Sie den Ausgang des Verstärker mit dem Spektrumanalysator, wobei an den Eingang
des Verstärkers ein offenes, langes Koaxialkabel angeschlossen wird. Bestimmen Sie das Leistungsspektrum im Bereich von 80 bis 120 MHz. Welche Frequenzen sind für eine Messung der
Rauschzahl des Verstärkers ungeeignet. Geben Sie die Ursache an.
• Die Messung der Rauschzahl soll bei 110 MHz mit dem selektiven Voltmeter und dem Vorverstärker nach der 3-dB-Methode erfolgen. Gemessen wird die Gesamtrauschzahl des BFR91AVerstärkers, des HP-Vorverstärkers und des Voltmeters. Um die Rauschzahl des BFR91A-Verstärkers
ermitteln zu können, muss die Reihenfolge von BFR91A-Verstärker und HP-Vorverstärker variiert
werden.
• Berechnen Sie die Rauschzahl und die Rauschtemperatur des BFR91A-Verstärkers!
Literatur
[1] Prof. K. Petermann, Skript zur Vorlesung Hochfrequenztechnik I+II
[2] F. Landstorfer, H. Graf: Rauschprobleme der Nachrichtentechnik, R. Oldenbourg Verlag, 1981
A. S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle
Die S-Parameter einer gesteuerten Stromquelle sind in der Datei stromquelle.s2p wie folgt nach
Betrag |Sij | und Phase φ abgelegt (Steilheit 1/re ). Hierbei wurde ein Leitungswellenwiderstand von
50 Ω und eine Steilheit von 1/re = 1.2S angenommen.
b
b
ZL
U1
?
b
1
?re U 1
r
U2
?
b
ZL
|Sij |
φ
S 11
1
0
S 21
2ZL /re
180
S 12
0
0
S 22
1
0
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