Technika linearyzacji niskoszumnego wzmacniacza mikrofalowego metodą superpozycji pochodnej

Transkrypt

1 Walemar SUSEK, Broiław STEC Wojkowa Akaemia Techicza, tytut Raioelektroiki Techika liearyzacji ikozumeo wzmaciacza mikrofaloweo metoą uperpozycji pochoej Strezczeie.. W artykule przetawioo moel trazytora MESFET ze wzlęu a aalizę prouktów itermoulacyjych (MD) wzmaciacza mikrofaloweo. Omówioo poób liearyzacji elemetu aktyweo wykorzytujący metoę uperpozycji pochoej w zatoowaiu o trazytorów MESFET teo ameo typu. Zaprezetowao rozwiązaie ukłaowe ikozumeo wzmaciacza mikrofaloweo o użej liiowości oraz jeo charakterytyki otrzymae a roze ymulacji. Abtract. A proceure for active elemet liearizatio via erivative uperpoitio ue for MESFET traitor i icue i the paper. A metho for ecriptio of traiet characteritic of microwave fiel MESFET traitor, other tha claic oe, i preete. A olutio of a circuit for a microwave amplifier of hih liearity a it characteritic obtaie via imulatio are alo how. (Derivative uperpoitio lieariatio techique fot MESTET low-oie microwave amplifier). Słowa kluczowe: Telekomuikacja, wzmaciacz mikrofalowy, ziekztałceia harmoiczych, liearyzacja. Keywor: Telecomuicatio, microwave amplifier, harmoic itortio, liearizatio. Wtęp We wpółczeych cyfrowych ytemach łączości bezprzewoowej toowae ą klaycze obioriki bezpośreieo wzmocieia oraz uperheteroyowe. Na wejściu tych obiorików wytępuje wzmaciacz wielkiej czętotliwości [], któreo potawowym przezaczeiem jet uzykaie wymaaeo poziomu czułości ukłau. Wpółczee ytemy łączości bezprzewoowej toując róże techiki otępu (TDMA, CDMA) oraz róże techiki moulacji (OQPSK, GMSK), które akłaają a wzmaciacz określoe wymaaia, zczeólie jeżeli chozi o jeo yamikę, liiowość, wzmocieie, tałość parametrów fazowych i wpółczyik zumów [,, 4]. ieliiowym zależość U wy = f(u we ) może przybierać róży charakter. W oólym przypaku rozróżia ię trzy ociki: a) zybkieo arataia, częto o kztałcie zbliżoym o paraboli U wy =ku we mówi ię wtey że zależość jet kwaratowa, b) zbliżoy o protej U wy = pu we, jet to ociek azyway liiowym, c) woleo arataia, świaczy o wytępującym taie ayceia, częto opowiaającym zależości U wy = qlo(u we ). Przykła takiej zależości przetawioy jet a ryuku. Ry.. Schemat blokowy obiorika raiokomuikacyjeo OFDM Na ryuku przetawioo przykła buowy typoweo cyfroweo obiorika telekomuikacyjeo, któreo obwoy wejściowe zawierają ikozumy wzmaciacz mikrofalowy (LNA) wypoażoy w możliwość reulacji wzmocieia. Potawowym przezaczeiem wzmaciacza jet zapewieie opowieiej czułości obiorikowi. Ze wzlęu jeak a jeo uytuowaie, ie tylko wpółczyik zumów i wzmocieie wzmaciacza ą parametrami, które ależy brać po uwaę. Barzo ważym parametrem jet także liiowość wzmaciacza oraz tałość jeo parametrów fazowych. Ziekztałceia przebieów harmoiczych przy przejściu przez wzmaciacz powoowae ą ieliiowymi charakterytykami elemetów aktywych. Skutkiem tych ieliiowości jet to, że y a wejście takieo elemetu poay zotaie yał harmoiczy o czętotliwości f to a wyjściu pojawią ię iepożąae harmoicze a czętotliwościach f, f, 4 f... f. Jeżeli o obwou liioweo przyłożoy zotaie yał o apięciu U we, to a jeo wyjściu otrzyma ię apięcie U wy, proporcjoale o U we. Wpółczyik proporcjoalości w obwozie liiowym jet tały i ie zależy o apięcia U we. W obwozie Ry.. Przebie zależości U wy = f(u we ) la wzmaciacza trazytoroweo Na ryuku. przetawioo obraz wima yału wyjścioweo wzmaciacza CRA6 firmy Mii Circuit. Ry.. Obraz wima yału wyjścioweo wzmaciacza CRA 6 6 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Electrical Review), SSN -97, R. 86 NR /

2 Amplituy pozczeólych harmoiczych zależą o charakteru ieliiowości oraz o wielkości yału terująceo U we. Wyżze harmoicze w ukłaach wzmaciających ą iepożąae, yż wywołują licze zakłóceia itermoulacyje, moulację krośą, iterferecje, oraz powoują przeterowaia wzmaciaczy liiowych. Oporość wzmaciacza a wytwarzaie iepożąaych yałów zakłócających, w zależości o mocy yału terująceo, określa ię przez poaie poziomu zakłóceń itermoulacyjych. Poziom te charakteryzoway jet ajczęściej przez moc wejściową lub wyjściową la tzw. puktu przechwytu, tz. hipotetyczeo puktu przecięcia ię charakterytyk opiujących yał potawowy i yał zakłócający. Przykła określeia takieo puktu przetawioo a ryuku 4. W ukłaach rzeczywitych iy ie ochozi o przecięcia ię charakterytyk prouktu potawoweo z charakterytykami prouktów zakłócających. Dzieje ię tak lateo, że przy zecyowaie miejzej wartości mocy wejściowej iż ta, która opowiaają puktowi przechwytu, elemet aktywy wchozi w ayceie. Ry.6. Małoyałowy ieliiowy moel zatępczy trazytora MESFET W więkzości przypaków wpółczeych trazytorów MESFET, omiujący wpływ a ieliiowość trazytora ma prą reu i (v ). Jeą z meto wyzaczeia prąu ieliioweo elemetu rezytyweo i (v ) jet rozwiięcie w zere Taylora fukcji =f(v ) wokół puktu polaryzacji teo elemetu. W przypaku aalizowaeo trazytora () i v v v v! V V V V zie (V ) jet charakterytyka tałoprąową opiującą prą reu w zależości o apięcia polaryzacji bramki, a v jet apięciem yału zmieeo przyłożoeo o bramki. Najczęściej charakterytyka (V ) jet aprokymowaa wielomiaem potęowym () () ( V ) = A + A V + A V + A V + Ry. 4. Prote yału pożąaeo i yałów zakłócających -o i -cieo rzęu Ry.5. Wimo yału a wyjściu wzmaciacza CRA6 wyterowaeo woma yałami harmoiczymi Na ryuku 5 zamiezczoo wyik pomiarów wima yału a wyjściu wzmaciacza CRA 6 wyterowaeo woma yałami o takiej amej mocy, leżącymi o iebie w olełości 4 MHz. Wiać wyraźie powtaie prouktu zakłócająceo -cieo rzęu a poziomie,4 Bm. Nieliiowy moel małoyałowy trazytora MESFET Na ryuku 6 przetawioo małoyałowy ieliiowy moel trazytora MESFET. Powtał o a bazie moelu liioweo o któreo wprowazoo ieliiową pojemość bramka-źróło C (v ), ieliiową kouktację re-źróło (V ) oraz ieliiowe źróło prąowe i (v ). Traycyja metoa określaia wpółczyików (kolejych pochoych prąu reu po apięciu bramki) polea a pomiarze charakterytyki (V ) i a przykła metoą ajmiejzych kwaratów opaowaie otrzymaych wartości o fukcji wielomiau potęoweo (), a atępie wyzaczeie kolejych pochoych. Jet oa zaowalająca, y o aalizy wytarczające jet wyzaczeie wpółczyika, to zaczy ekwiwaletu liiowej trakouktacji. Taki przypaek ma miejce a przykła przy aalizie trat przemiay miezacza, aalizie wielkoyałowej wzmaciacza mocy czy przełączika. Natomiat, y aalizowae ą proukty itermoulacyje, wymaaa jet okłaa zajomość wyrazów wyżzych rzęów. W tym przypaku wyrażeie () taje ię mało przyate, poieważ otrzymywae a potawie teo wyrażeia ie opowiaają przebieom rzeczywitych ukłaów [5]. Jet oczywite, że wpółczyiki zmieiają ię w fukcji apięcia V w poób coraz barziej złożoy wraz ze wzrotem rzęu. Natomiat pochoe wyrażeia () tają ię po tym wzlęem coraz barziej protze wraz ze wzrotem zikając w końcu, y rzą jet więkzy o topia wielomiau. ym poobem a rozwiązaie teo problemu jet różiczkowaie wprot wektora aych pomiarowych. Prowazi to jeak o potęowaia ię efektów wyikających z błęów zaokrąlaia liczb. Pochoe wyżzych rząów, czyli wyrazy, 4 it., tają ię w tym przypaku mało wiaryoe. Jeym ze poobów a wyelimiowaie wyżej wymieioych problemów przy wyzaczaiu wpółczyików, jet atępujący alorytm potępowaia: zatąpieie wielomiau potęoweo () wielomiaem tryoometryczym ()[5], wykorzytaie aalizy Volterry la chematu z ryuku o obliczeia amplitu kolejych harmoiczych prąu i, okoaie pomiarów ekperymetalych mocy pozczeólych harmoiczych w zakreie małych czętotliwości. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Electrical Review), SSN -97, R. 86 NR / 6

3 D [ma] () ( V ) = a x + a i( x) + a i( x) + a i( x) + W rówaiu () a ą wpółczyikami tałymi, x=(v V t )/(V t V f ), V t apięcie ocięcia trazytora, V f makymale apięcie bramki i V f V V t. W wyiku zatoowaia powyżzeo alorytmu charakterytyka (V ) moelowaa jet jako fukcja liiowa, z ochyleiem o liiowości reprezetowaym przez zere Fouriera. Wpółczyiki a Wektor wpółczyików a wyrażeia () moża wyzaczyć kotruując i rozwiązując atępujący ukła rówań (4) (4) V V 6 V V V V V V Natępie przeprowazając ieliiową aalizy Volterry ukłau z ryuku 6, moża określić wartości prąów kolejych harmoiczych jako [6] (5) (6) (7) i i v i R R v R R R 4 R Zakłaając, że apięcie yału przyłożoeo o bramki trazytora zmieia ię harmoiczie v (t)=v co(t), to moc teo yału wyoi P N = V /(8R N ). Defiiując atępie parametry MR i MR jako (8) MR i / i, MR i / v i wpółczyiki moża obliczyć z atępujących wzorów (9) () () y y R R R MR R P N N R R R P R MR N N Dokoując pomiaru charakterytyki (V ) lub wykorzytując macierz rozprozeia trazytora moża wyzaczyć parametr. Stoując atępie zależości () i () oraz okoując pomiarów parametrów MR, moża obliczyć wpółczyiki,. Pomiary ekperymetale MR Pomiaru ruiej i trzeciej harmoiczej trazytora GaAFET SPF-86TK okoao w ukłazie jak a ryukach 7 i 8. Pomiary przeprowazoo la czętotliwości potawowej 5 MHz, la której łuzy pozotaje ukła zatępczy trazytora przetawioy a ryuku 6, a poziom harmoiczych zależy tylko o mocy yału wejścioweo, rezytacji źróła trazytora i wartości wpółczyików a. Zatoowaie pułapek w potaci zwartych i rozwartych ocików liii kocetryczej wraz z óroprzeputowym filtrem wyjściowym zabezpiecza ukła pomiarowy prze eeracją oatkowych harmoiczych w przewzmaciaczu aalizatora i oraicza poziom harmoiczych ytezera o wartości poiżej 9 B w touku o ośej. Ry.7. Schemat ukłau pomiaroweo ruiej harmoiczej trazytora Ry.8. Schemat ukłau pomiaroweo trzeciej harmoiczej trazytora Tabela. Parametry MR Wyiki pomiarów mocy harmoiczych, oraz a ich potawie obliczoe wartości parametrów MR przetawioo w tabeli. Charakterytyka tałoprąowa trazytora SPF-86TK Określeie za pomocą pomiarów ekperymetalych parametrów MR i MR pozwala a obliczeie ze wzorów () i () wartości wpółczyików i rozwiięcia (). Mając tak wyzaczoe ae, korzytając z zależości (4) moża wyzaczyć wpółczyiki a, a tym amym wyzaczyć tałoprąową charakterytykę (V) trazytora ze wzoru () Pomiar Moel V [V] Ry.9. Charakterytyka (V) uzykaa a roze pomiarów i obliczoa wełu zależości () W wyiku przeprowazoych pomiarów i obliczeń otrzymao 64 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Electrical Review), SSN -97, R. 86 NR /

4 T+ T [ma /V ] [ ma/v ] () V.x.975 i( x ).9 i( x ).68 i( x ).78 i( 4x ) zie: x=(v +) la V t = V i V f =. Wyrażeie () zotało wykorzytae o zaimplemetowaia moelu trazytora SPF-86TK w proramie ymulacyjym ADS i przeprowazeia ymulacji wzmaciacza mikrofaloweo ze wzlęu a wytwarzae przez ieo zakłóceia itermoulacyje. Na ryuku 9 przetawioo zetawieie pomierzoej charakterytyki (V) trazytora SPF-86TK i obliczoej a potawie wzoru (). Metoa uperpozycji pochoej Superpozycja ma fuametale zaczeie we wzelkieo rozaju aalizie iżyierkiej. Jet oa eem ytezy przebieów elektryczych, włączając w to aalizę fourierowką. Ma oa także zatoowaie w teorii filtrów. Oberwacje przebieu zmieości wyrazów i w fukcji apięcia bramki rzeczywitych trazytorów FET [7] pokazuje, że w przebieach tych wytępują yamicze przejścia pomięzy kolejymi wartościami tych parametrów. W przypaku wytępuje także zmiaa zaku wartości parametru. Obecość takiej cechy wyrazów i kłaia o zatoowaia zaay uperpozycji tych przebieów w zieziie apięcia. Poieważ wyrazy ą kolejymi pochoymi charakterytyki prąowo apięciowej (V ) trazytora, to iea uperpozycji w oieieiu o tych wyrazów oi w literaturze azwę uperpozycji pochoej. Metoa uperpozycji pochoej w zaczący poób prowazi o zmiejzeia ruiej i trzeciej harmoiczej w przypaku, y zotaą połączoe wa trazytory FET, których przebiei i ą takie, że uleają wzajemej reukcji V V [V] Ry.. Przebie zmieości trzeciej pochoej fukcji (V ) trazytora SPF-86TK wyzaczoy a potawie wzoru () Metoa uperpozycji pochoej la trazytorów FET teo ameo rozaju W prezetowaym artykule zatoowao zaaę uperpozycji pochoej w oieieiu o jeeo typu trazytora SPF-86TK, PHEMT GaA FET o łuość i zerokości bramki z barierą Schottky eo opowieio.5 m i m. W metozie klayczej toowae ą wa róże typy trazytora FET pecjalie obierae ze wzlęu a przebie ich charakterytyk (V ). W prezetowaym przypaku potaowioo zatoować jee typ trazytora, któreo przebie pochoej (V ) przetawia ryuek. Z przebieu teo wyika, że w zakreie wartości apięcia bramki (..)V, przebie jet quai-liiowy i zmieia woją wartość z oatiej a ujemą. W takim przypaku, zatoowaie opowieieo ukłau polaryzacji trazytorów, pozwoli a uperpozycję pochoej trazytora pierwzeo z owrócoą lutrzaie, wzlęem protej przechozącej przez pukt V, pochoą trazytora ruieo. Ry.. Schemat ieowy liearyzowaeo metoą uperpozycji pochoej wzmaciacza mikrofaloweo oparteo a wóch trazytorach FET teo ameo typu Ukła polaryzacji bramek trazytorów przetawioy a ryuku ziała w te poób, że każa zmiaa apięcia V T bramki trazytora T powouje taką amą co o wartości i przeciwą co o zaku zmiaę apięcia bramki V T trazytora T i owrotie. Wzajemą zależość apięć polaryzujących bramki trazytorów opiują wyrażeia VT VT VT VT () VT VT VT VT zie V T i V T ą apięciami opowiaającymi puktom zerowaia ię trzeciej pochoej fukcji () la pozczeólych trazytorów. W przypaku ietyczych trazytorów apięcia te bęą obie rówe V [V] Ry.. Superpozycja pochoych trazytorów T i T W efekcie takieo złożeia, jak pokazuje to ryuku, atępuje zacząca reukcja wpółczyika całeo wzmaciacza, a tym amym reukcja poziomu trzeciej harmoiczej eerowaej przez wzmaciacz w zerokim zakreie zmia wartości apięcia bramki (..)V. Wrażliwość pochoej a zamiay apięcia bramki w tym przypaku jet zaczie miejza iż w przypaku jeeo trazytora FET [8]. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Electrical Review), SSN -97, R. 86 NR / 65

5 Projekt zliearyzowaeo wzmaciacza mikrofaloweo Przeprowazoa aaliza trazytora GaA FET SPF-86TK po kątem prouktów itermoulacyjych oraz wykoae pomiary, pozwoliły określić wpółczyiki wielomiau () i zaimplemetować moel teo trazytora w proramie ymulacyjym ADS. Wykorzytując tak kotruoway moel trazytora zaprojektowao ikozumy wzmaciacz mikrofalowy, któreo trukturę przetawia ryuek. Ry.4. Charakterytyka zmia OP w fukcji apięcia polaryzująceo bramkę trazytora T Ry.. Struktura zliearyzowaeo wzmaciacza mikrofaloweo Zapropoowaa truktura wzmaciacza jet zoa z przetawioym a ryuku chematem ieowym. Różice poleają a zatoowaiu a wejściu i wyjściu zielików mocy oraz a poobie polaryzacji pozczeólych trazytorów, który zotał zrealizoway za pomocą ocików ćwierćfalowych o użej impeacji Z. Wyiki ymulacji Symulacje przeprowazoo w proramie komputeroweo wpomaaia projektowaia obwoów mikrofalowych ADS firmy Ailet Techoloy. Opracowao la potrzeb ymulacji moel trazytora FET z zaimplemetowaą fukcją (). Symulacje otyczyły parametrów [S], wpółczyika zumów wzmaciacza oraz aalizy harmoiczej. Wyzaczoo pukt P, oraz określoo yamikę wzmaciacza wolą o zakłóceń -o rzęu. Wyiki zetawioo w tabeli. Tabela. Wyiki ymulacji parametrów yamiczych wzmaciacza Symulację przeprowazoo la wzmaciacza polaryzowaeo apięciami V = 5V oraz V T i V T = -,V. Uzykao potwierzeie małej wrażliwości parametru P wzmaciacza a fluktuacje apięcia bramki V. Wpółczyik zumów kztałtuje ię a poziomie.5 B co zapewia oiąięcie wymaaej czułości la obiorików telekomuikacyjych. Na ryuku 4. przetawioo przebie zmia wartości mocy wyjściowej la puktu przechwytu trzecieo rzęu OP w zależości o zmia apięcia bramek trazytorów. Uzykao potwierzeie małej wrażliwości parametru OP wzmaciacza a fluktuacje apięć V T, V T polaryzujących bramki trazytorów mikrofalowych. Wioki Zaprezetoway w artykule poób opiu elemetów aktywych ze wzlęu a aalizę ich prouktów itermoulacyjych może tać ię użyteczym arzęziem przy projektowaiu i kotruowaiu wzmaciaczy mikrofalowych torów wejściowych obiorików telekomuikacyjych. Techika liearyzacji wzmaciacza mikrofaloweo wykorzytująca metoę uperpozycji pochoej zaczie poprawia liiowość wzmaciacza. totym twierzoym faktem jet to, że opuzczale ą fluktuacje apięcia polaryzująceo bramkę trazytora awet w zakreie %, co w przypaku toowaia pojeyczeo topia optymalizowaeo ze wzlęu a miimalizację za pomocą apięcia V, jet ieoiąale. Taka właość czyi wzmaciacz barziej oporym a wzelkieo rozaju fluktuacje parametrów śroowikowych i zailaia. Przetawioy w komuikacie wzmaciacz charakteryzuje ię wzmocieiem rzęu 6 B, wpółczyikiem zumów.5 B oraz P ie miejzym iż 7 B przy % fluktuacji apięcia polaryzacji bramki. Techika pomiarów harmoiczych trazytora zaprezetowaa w artykule w zaczący poób uprazcza wyzaczeie prouktów itermoulacyjych eerowaych przez elemet aktywy. LTERATURA [] D o b rowolki J., Projektowaie mikrofalowych wzmaciaczy z trazytorami MESFET, WNT, Warzawa, 99r. [] A p a ri V., L a ro L.E., Aalyi a reuctio of cro moulatio itortio i CDMA receiver, EEE Tra. Microwave Theory Tech., vol. 5, o. 5, [] You Y. -S. et al., A GHz 6 Bm P Low Noie Amplifier i.5um CMOS Techoloy, EEE SSCC, 45-45,. [4] Wataabe G. et al., P boot circuitry for hihly liear CDMA low oie amplifier (LNA), Aia Pacific Microwave Cof, Dec. -6, [5] M a a A. S., N e ilo D., Moeli MESFET for itermoulatio aalyi of mixer a amplifier, EEE Tra. Microwave Theory Tech., vol. 8, No., 99 [6] M a a A. S., C romu A., Moeli the ate /V characteritic of GaA MESFET for Volterra-Serie Aalyi, EEE Tra. Microwave Theory Tech., vol. 7, o. 7, 989 [7] W e bter D.R., H a i h D, S c ott J.B., Parker A.E., Derivative uperpoitio a lieariatio techique for ultra broaba ytem, EE Wieba Circuit, Moeli, Techoloy Colloq., pp. /-/4, May 996 [8] A p a ri V., L aro L.E., Moifie erivative uperpoitio metho for liearizi FET low-oie amplifier, EEE Tra. Microwave Theory Tech., vol. 5, No., 5 Autorzy: r hab. iż. Broiław Stec, Wojkowa Akaemia Techicza, tytut Raioelektroiki, ul. Kalikieo, -98 Warzawa, Broiław.Stec@wel.wat.eu.pl; r iż. Walemar Suek, Wojkowa Akaemia Techicza, tytut Raioelektroiki, ul. Kalikieo, -98 Warzawa, Walemar.Suek@wel.wat.eu.pl. 66 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNCZNY (Electrical Review), SSN -97, R. 86 NR /