Ενισχυτής Ισχύος Για Δέκτες Gsm 1800 Mhz

Abstract

Η σχεδίαση διατάξεων υψηλών συχνοτήτων είναι περίπλοκη και απαιτούνται ιδιαίτερες διαδικασίες συγκριτικά με τη σχεδίαση κυκλωμάτων μεσαίων συχνοτήτων.Η σχεδιαστική προσέγγιση που ακολουθήθηκε για την περάτωση της παρούσας εργασίας «Ενισχυτής ισχύος για δέκτες GSM 1800 MHz» ήταν η ακόλουθη,1. Διερεύνηση για την ορθή επιλογή ημιαγωγών (BJT/FET) που θα ικανοποιούσαν τις απαιτούμενες παραμέτρους για την λειτουργία του συστήματος κέρδος > 50dBισχύς εξόδου Pout=30dBmελάχιστη ισχύς εισόδου Pin= -20 dBmσυντελεστής θορύβου NF < 4 dB περιοχή λειτουργίας 1,75 - 1,85 GHz2. για την ικανοποίηση των παραπάνω αποφασίστηκε το σύστημα να έχει , έναν ενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) , δύο οδηγούς ενισχυτές και έναν τελικό ενισχυτή εξόδου3. Μετά από αυτό εξετάσθηκε η περιοχή ευστάθειας αυτών των ημιαγωγών που επιλέγηκαν4. Έγινε η επιλογή του ορθότερου σημείου λειτουργίας των ημιαγωγών. Αυτό έγινε με την εφαρμογή του καταλλήλου συνεχούς ρεύματος πόλωσης στην βάση του BJT που χρησιμοποιήθηκε για ενισχυτής χαμηλού θορύβου και της κατάλληλης τάσης πόλωσης για τους οδηγούς (FET) και τον ενισχυτή ισχύος (FET)5. Σχεδιάστηκαν τα δίκτυα σύζευξης της προηγούμενης με την επόμενη βαθμίδα σύμφωνα με την εμπέδηση που παρουσιάζει η είσοδος και η έξοδος του κάθε ημιαγωγού6. Προσομοίωση του συστήματος στο υπολογιστικό πακέτο Libra 6.1 (HP) όπου ελέγχθηκε το σύστημα και όπου κρίθηκε απαραίτητο γίνανε αλλαγές με την βοήθεια των αντίστοιχων εργαλείων του υπολογιστικού πακέτου7. Εξαγωγή του αρχείου από το πρόγραμμα για την δημιουργία του τυπωμένου κυκλώματος8. Εφαρμογή στο εργαστήριο.Υψηλότερη συχνότητα στις ραδιοεπικοινωνίες σημαίνει μεγαλύτερη διαπερατότητα σε περιοχές με μεγαλύτερο συντελεστή ανάκλασης και μεγαλύτερο λειτουργικό εύρος ζώνης.Στην εφαρμογή μας επειδή το πλάτος του παλμού προς ενίσχυση είναι πολύ μικρό μας αναγκάζει να χρησιμοποιήσουμε ενισχυτή χαμηλού θορύβου, δυο οδηγούς και τον τελικό ενισχυτή ισχύος.Οι αγωγοί που χρησιμοποιηθήκαν ήταν, το BFP 520 (BJT), CLY 2 (FET) οι οδηγοί , CLY 15 (FET) ο ενισχυτής ισχύος. Τα υπόλοιπα αντιστάσεις πυκνωτές και πηνία ήταν εξαρτήματα επιφανείας. Η πλακέτα επικόλλησης των εξαρτημάτων RT DUROID 5870, είχε τα εξής χαρακτηριστικά, Er = 2,33 , H= 0,79mm , T = 0,035mm, RHO = 0,84, tand = 0,0012.Στο σύστημα ο οδηγός επιλέγεται ώστε να μπορεί να τροφοδοτήσει την είσοδο του τελικού ενισχυτή ισχύος με αρκετό ρεύμα κάτι που δεν μπορεί να το κάνει μόνος του ο ενισχυτής χαμηλού θορύβου. Για αυτό το λόγο για να έχουμε μεγαλύτερη ενίσχυση στην έξοδο η βαθμίδα του οδηγού επιλέχθηκε να έχει δυο βαθμίδες. Με συνολικό κέρδος, Gp(dB)=Pout(dBm) - Pin(dBm)=30-(-20)=50.Για να έχουμε καλή λειτουργία πρέπει να ελέγξουμε την αποτελεσματικότητα και την γραμμικότητα των ημιαγωγών. Επειδή οι ενισχυτές ισχύος για απαίτηση ισχυρής εξόδου λειτουργούν σε μη γραμμική περιοχή, χρησιμοποιούμε τέτοια τάξη λειτουργίας των ημιαγωγών που θα ικανοποιεί όσο το δυνατόν την γραμμικότητα και την αποτελεσματικότητα.Με αυτά τα κριτήρια η τάξη λειτουργίας Α επιλέχθηκε για τον ενισχυτή χαμηλού θορύβου και του οδηγού. Για τον ενισχυτή ισχύος γενικότερα θέλουμε μια τάξη κατά την οποία το τρανζίστορ δεν πρέπει να άγει και τις δυο ημιπεριόδους του σήματος (2π) διότι δεν είναι απαραίτητο στην περίπτωση μας, ο ενισχυτής δεν δουλεύει διαρκώς οριακά και μειώνεται η κατανάλωση ισχύος στην πηγή τροφοδοσίας. Αυτές είναι οι τάξεις, B,C,F. Ανάλογα με την επιλογή της τάξης επηρεάζεται και η αποτελεσματικότητα. Επιλέγοντας C,F έχουμε λιγότερη απώλεια ενέργειας στην τάση του συστήματος(κινητού τηλεφώνου) διότι το τρανζίστορ είναι στην περιοχή αποκοπής μέχρι το σήμα εισόδου να αναγκάσει το τρανζίστορ να άγει. Η τάξη λειτουργίας ρυθμίζεται με την τάση Vgs στο FET και με το ρεύμα Ib στο BJT. Ρεύμα πόλωσης του LNA , Ic= 20 mA, Ib= 0,1818 mA (τάξη A) Τάση πόλωσης των οδηγών , Vgs = -1,6V , Id= 100mA (τάξη A)Τάση πόλωσης του τελικού ενισχυτή, Vgs = -2,1V , Id= 300mA (τάξη C) Vgs = -2,5 V (τάξη F)Κατά την προσομοίωση οι παράμετροι Spice εισήχθησαν στη βιβλιοθήκη του προγράμματος για το BFP 520, από το εταιρικό φυλλάδιο παραμέτρων, για το CLY 2 έγινε το ίδιο, ενώ για το CLY 15 δεν ήταν διαθέσιμοι οι παράμετροι οπότε έπρεπε να γίνει ανάπτυξη του μοντέλου ώστε να βρεθούν οι παράμετροι Spice και να δηλωθούν.Οι λόγοι που επιλέχθηκαν τα συγκεκριμένα τρανζίστορ είναι,α) οι τιμές κέρδουςβ) η ισχύς εξόδουγ) η ευστάθειαδ) το εύρος ζώνης και η περιοχή λειτουργίαςε) η τάση λειτουργίας.Υπολογίσθηκε η ευστάθεια της κάθε βαθμίδας πρώτα χειρόγραφα και διασταυρώθηκε η τιμή με αυτήν που έβγαλε το πρόγραμμα. Οι συνθήκες για αποφυγή της ταλάντωσης είναι , Κ>1 και Δ<1. Κατά την διαδικασία αυτό που παρατηρήθηκε ήταν πως το CLY 2 ήταν μερικώς ασταθές στην κεντρική συχνότητα 1,8 GHz. Για την καταπολέμηση της αστάθειας χρησιμοποιήθηκε αντίσταση παράλληλα στην είσοδο του ημιαγωγού.Τα συζευκτικά κυκλώματα μεταξύ των βαθμιδών εξαρτώνται από το σημείο λειτουργίας των τρανζίστορ των βαθμίδων επίσης ο θόρυβος και το κέρδος επηρεάζονται. Οι τιμές των μελών των συζευκτικών διατάξεων εξαρτώνται από τον συσχετισμό του σημείου λειτουργίας του τρανζίστορ με το κέρδος και τον θόρυβο.Η προσομείωση του συστήματος έγινε αφού πρώτα έγιναν οι υπολογισμοί χειρόγραφα και μετά επαληθεύθηκαν η βελτιώθηκαν από το πρόγραμμα. Χρησιμοποιήθηκε η γραμμική και η μη γραμμική ανάλυση για το κάθε τρανζίστορ και για το σύστημα συνολικά. Πέρα από τα εξαρτήματα του κυκλώματος υπολογίσθηκε το πάχος της πλακέτας με μαθηματικό τύπο και επαληθεύτηκε στο εργαλείο προσομείωσης.Κατά τη διάρκεια του πειράματος οι εργαστηριακές μετρήσεις κατά την dc λειτουργία του συστήματος επαλήθευσε όλη την προηγούμενη έρευνα που είχε γίνει χειρόγραφα αλλά και στο υπολογιστικό πακέτο. Μετρήθηκε το αναμενόμενο ρεύμα εξόδου του συστήματος αλλά και της κάθε επιμέρους βαθμίδας. Κατά την ac ανάλυση δεν μπόρεσαν να επιβεβαιωθούν οι τιμές διότι οι οδηγοί βγήκαν εκτός λειτουργίας λόγω της μεγάλης ενίσχυσης και της κακής μόνωσης στον θόρυβο.Πρόσθετα στα προαπαιτούμενα της εργασίας έγινε περεταίρω έρευνα στην δημοσίευση N. Iwata et al και τα συμπεράσματα που βγήκαν από αυτό ήταν, ότι δεν μπορούμε να επιβεβαιώσουμε τα ευρήματα της έρευνας διότι το σύστημα ενισχυτή που χρησιμοποιήθηκε στην έρευνα είναι χωρίς συζευκτικό κύκλωμα εξόδου. Αυτό σύμφωνα με την μικροκυματική θεωρία είναι αδύνατον να συμβεί.