TTS Moduł 7

W Wykładzie zawarto bardzo obszerny materiał. Zrozumienie i przyswojenie sobie jego treści nie powinno przysparzać problemów, o ile przypomnimy sobie co to jest tranzystor, jak działa wzmacniacz. Powinniśmy już z łatwością operować wprowadzonymi wcześniej pojęciami macierzy rozproszenia, sensem fizycznym jej współczynników i dopasowaniem obwodu. Współczesna technika przetwarzania i transmisji sygnałów w zakresie fal radiowych, mikrofalowych i milimetrowych oparta jest na tranzystorach. Ich technologia pozwala wykonywać je w rozmaitych postaciach i do rozmaitych celów. W prezentowanym wykładzie zajmiemy się bardzo ważną funkcją tranzystorów: wzmacnianiem.

---

Wykład jest obszerny, zawiera wiele materiału, nowych informacji i pojęć, które należy sobie przyswoić. Zaczynamy od definicji wzmocnienia i opisu warunków stabilności. Jest to dodatek do teorii obwodów. Następnie poznajemy tranzystor jako element obwodu mikrofalowego, trochę szczegółów o jego wewnętrznej strukturze, jego macierz rozproszenia, ograniczenia częstotliwościowego zakresu pracy, rozmaite konfiguracje i sposoby włączenia do obwodu. Tranzystor mikrofalowy pełni rozliczne role w układach mikrofalowych, ale dwie z nich są najważniejsze: wzmacnianie i generacja sygnałów. W kolejnych segmentach studiujący zapoznaje się ze wzmacniaczami tranzystorowymi, kryteriami doboru tranzystorów, rolą mikrofalowych obwodów towarzyszących, wreszcie specyfiką wzmacniaczy mocy. Szumy, to bardzo ważny dział wiedzy elektronicznej, spotykamy się z nimi wszędzie w procesach wytwarzania i obróbki sygnałów. Poświęcamy im zaledwie tylko 2 ekrany.

---

Na rysunku pokazano bardzo uproszczone schematy blokowe nadajnika i odbiornika łącza radiowego. Przesłanie informacji drogą radiową wymaga złożonej obróbki sygnałów. Trzy procesy są w szczególności chętnie stosowane. Generacja sygnału wykorzystana została w układzie nadajnika, gdzie umieszczono lokalny oscylator nadajnika LON, a także w odbiorniku, w którym pracuje lokalny oscylator LOO. Wzmacnianie sygnału wykorzystane jest w obu układach wielokrotnie. W układzie nadajnika wzmacniacz W służy do uzyskania odpowiedniego poziomu mocy kierowanej do anteny AN. W układzie odbiornika wzmacniacze W1 i W2 podnoszą poziom mocy do poziomu, przy którym może zachodzić detekcja. Przetwarzanie częstotliwości wykorzystane jest w nadajniku, gdzie modulator M1 zapisuje na nośnej informację, oraz w odbiorniku, gdzie mieszacz M2 obniża częstotliwość usuwając nośną i kieruje sygnał do detektora D pełniącego rolę demodulatora.

---

Wyróżnia się 2 podstawowe konfiguracje układów wzmacniaczy: Wzmacniacz transmisyjny, o konfiguracji jak na rysunku a), w której obwód aktywny jest dwuwrotnikiem. Właściwości wzmacniające wzmacniacza opisuje transmitancja $S_{21}$, a o jego dopasowaniu decydują reflektancje $S_{11}$ i $S_{22}$. Wzmacniacz odbiciowy, o konfiguracji pokazanej na rysunku b), w której obwód aktywny jest jednowrotnikiem. Właściwości wzmacniające tego układu opisuje współczynnik odbicia $\mathrm{\Gamma }$ o module $>1$ . Aby z układu odbiciowego uzyskać układ transmisyjny konieczne jest użycie cyrkulatora. W tym przypadku o dopasowaniu wzmacniacza decydują parametry cyrkulatora.

---

W tym punkcie analizowany będzie układ generator - wzmacniacz - obciążenie. Generator reprezentowany jest tutaj przez parametry $E$ i ${\mathrm{\Gamma }}_G$, Wzmacniacz jest dwuwrotnikiem opisanym macierzą [S], Obciążenie reprezentowane jest współczynnikiem odbicia ${\mathrm{\Gamma }}_L$. Z punktu widzenia generatora wzmacniacz i obciążenie można zastąpić jednowrotnikiem o współczynniku odbicia przez 1. Natomiast obciążenie ”widzi” źródło o parametrach $E^{\prime }$ i ${\mathrm{\Gamma }}_2$, przy czym najistotniejsza jest wartość współczynnika odbicia ${\mathrm{\Gamma }}_2$.

---

Plik:TTS M7 Slaj6.png

Warunki stabilności są istotne przy projektowaniu układów wzmacniaczy. Rozpatrując je przyjmujemy, że oznacza, że wzmacniacz-dwuwrotnik nie jest otoczony elementami aktywnymi, które więcej odbijają, niż na nie pada. Jeśli tak jest, to wzmacniacz stabilny bezwarunkowo nie staje się aktywne z żadnej strony. Analizując warunki stabilności wprowadzono współczynnik stabilności K, wiążący ze sobą rozmaite współczynniki macierzy rozproszenia: Ilustracja warunków stabilności pokazana jest na rysunku. Ilustrowany jest warunek opisujący zachowanie współczynnika odbicia ${\mathrm{\Gamma }}_1$. Transformujemy okrąg $|{\mathrm{\Gamma }}_L|\le 1$ z płaszczyzny ${\mathrm{\Gamma }}_L$ na płaszczyznę ${\mathrm{\Gamma }}_1$ – rysunek a). Dwuwrotnik jest stabilny bezwarunkowo, gdy przetransformowany okrąg leży wewnątrz okręgu jednostkowego – rysunek b). Gdy część przetransformowanego okręgu przekracza granicę okręgu jednostkowego – rysunek c), mamy do czynienia ze stabilnością warunkową. Wykazano, że warunkiem koniecznym i wystarczającym bezwarunkowej stabilności jest aby pewna kombinacja współczynników macierzy rozproszenia tranzystora spełniała następujący warunek $K>1$

---

Plik:TTS M7 Slaj7.png

Wzmocnienie mocy dwuwrotnika/wzmacniacza $G$ definiowane jest jako stosunek mocy $P_L$ wydzielonej w obciążeniu do mocy $P_G$ dostarczonej z generatora do obwodu: Otrzymana zależność nie jest łatwa w interpretacji. Widać, że w liczniku otrzymanego wyrażenia decydującą rolę pełni $|S_{21}|$, ale także widać wpływ innych parametrów. Aby ocenić ich wpływ trzeba rozważania prowadzić dalej.

---

Plik:TTS M7 Slaj8.png

Dysponowane wzmocnienie mocy $G_A$ jest stosunkiem dysponowanej mocy wzmacniacza $P_{LA}$ do dysponowanej mocy generatora $P_{GA}$: Wzmocnienie mocy staje się dysponowanym, gdy w obu wrotach wzmacniacza uda się uzyskać stan dopasowania energetycznego: Po uwzględnieniu powyższych warunków otrzymuje się wyrażenie ma o bardzo złożonej strukturze. Przekształcając dalej otrzymuje się zależność określająca MAG (ang. Maximum Available Gain)- maksymalne wzmocnienie mocy tranzystora:

---

Plik:TTS M7 Slaj9.png

Wprowadzenie do zależności współczynnika stabilności K nadaje jej nowe znaczenie. Łatwo zauważyć, że gdy współczynnik $K<1$ nie można korzystać z wyrażenia na MAG. W tym przypadku można oszacować maksymalną wartość wzmocnienia korzystając z wielkości nazwanej maksymalnym stabilnym wzmocnieniem MSG (ang. Maximum Stable Gain): Uzyskanie wzmocnienia równego MSG jest praktycznie niemożliwe ze względu na konieczność zachowania określonego marginesu bezpieczeństwa przed samowzbudzeniem wzmacniacza. Przytoczone definicje pokazują, że wartość G zależy od generatora i obciążenia. Aby wyjaśnić ich rolę zdefiniujemy wzmocnienie unilateralne. Wyrażenie na wzmocnienie unilateralne $G_U$ można zapisać jako iloczyn 3 czynników: $G_1$ reprezentuje wpływ dopasowania wrót wejściowych, $G_1$ osiąga wartość maksymalną dla ${\mathrm{\Gamma }}_G=S_{11}^{*}$ , $G_2$ reprezentuje wpływ dopasowania wrót wyjściowych. $G_2$ osiąga wartość maksymalną dla ${\mathrm{\Gamma }}_L=S_{22}^{*}$ . Końcowa zależność jest wielkiej wagi. Wzmocnienie tranzystora może być istotnie większe od wartości określonej transmitancją $|S_{21}{|}^2$ , jeżeli tylko odpowiednio dopasować dwuwrotnik. Wpływ obwodów dopasowujących jest oczywiście różny dla różnych częstotliwości.