Моделирование активного элемента автогенератора в нелинейном режиме

Найденные значения параметров схемы (Zb, Zc, Ze, см. рис. 3.20), а также вещественной и мнимой составляющих сопротивления (проводимости) транзистора в режиме малого сигнала используются на втором этапе проектирования — при исследовании схемы в режиме большого сигнала, определении оптимальной нагрузки (сопротивления Z,+ZH на рис. 3.17, б), обеспечивающей максимальную отдаваемую мощность.

Для нахождения нагрузочного импеданса, обеспечивающего наибольшую выходную мощность автогенератора, следует провести исследование импедансных и мощностных характеристик АЭ в режиме большого сигнала. На рис. 3.22 представлен возможный вариант измерительной схемы на примере АГ с нагрузкой в коллекторе (см. рис. 3.20, а). Для получения искомых характеристик следует добавить источник и измеритель мощности, а также сопротивление (последовательное или параллельное), необходимое для предотвращения выполнения условий генерации при проведении измерений (см. рис. 3.22) [ 15].

Для проведения моделирования в диапазоне мощностей используется порт PORT_PSl — источник изменяемой в задаваемых пределах мощности. Этот элемент MWO соответствует порту с одночастотным сигналом и изменяемой мощностью. Он располагается в разделе Circuit Elements-*Ports-*Harmonic Balance. Диапазон изменения мощности определяется экспериментально, обычно от 0…10 дБм до Я, где Р, составляет несколько десятков дБм (~ 20…40 дБм). Не следует сразу задавать очень большие значения Р_тах, поскольку при этом возможны так называемые «зацикливания» вычислительного процесса, связанные с нарушением условий сходимости алгоритма, используемого симулятором системы. Для предотвращения таких ситуаций в процессе моделирования необходимо увеличивать значение Р_тлх постепенно до получения экстремума на зависимости отдаваемой активным элементом мощности от мощности падающей волны (рис. 3.23). Измеритель мощности (элемент P_METER3) располагается в категории MeasDevice.

Рис. 3.22.

Шунтирующее или последовательное сопротивление необходимо для исключения возможности возникновения генерации в процессе моделирования АЭ в режиме «большого» сигнала. Если в схеме присутствует генерация, то требуемые характеристики не могут быть получены. Для срыва генерации можно использовать большое последовательное (килоомы-сотни Ом) или малое параллельное (десятки-единицы Ом) сопротиаление (см. рис. 3.22).

Выбор способа подключения такого резистора определяется характером нелинейности активного элемента. Например, для отрицательного сопротивления /V-ти па требуется большая параллельная проводимость, превосходящая модуль малосигнальной отрицательной проводимости АЭ. Для отрицательного сопротивления 5-типа требуется большое последовательное сопротивление, превосходящее модуль малосигнального отрицательного сопротивления АЭ.

Определение типа нелинейности связано с проведением дополнительных исследований, но, как показывает практика, в большинстве случаев целесообразней использовать параллельную схему подключения сопротивления, срывающего автоколебания, при рассмотрении активного двухполюсника на биполярном транзисторе со стороны эмиттерных выводов (см. рис. 3.20, б) и последовательную схему — при рассмотрении активного двухполюсника на биполярном транзисторе со стороны коллекторных выводов (см. рис. 3.20, а).

При переходе в режим большого сигнала следует ограничить диапазон частот анализа единственной частотой^, на которую рассчитывается АГ.

Чтобы определить сопротивление нагрузки, в которой выделяется максимальная мощность (для найденного режима работы транзистора, т. е. при заданных параметрах схемы), необходимо получить зависимости отдаваемой транзистором мощности и сопротивления устройства в плоскости P_METER от подаваемой источником мощности. Для измерения мощности используется характеристика Рсотр (это комплексная величина, на график следует выводить ее вещественную составляющую; характеристика располагается в категории измерений Nonlinear Power). Импеданс устройства моделируется с помощью характеристики Z_comp, позволяющей исследовать комплексное сопротивление устройства в нелинейном режиме (располагается в категории Nonlinear Parameters).

На рис. 3.23, 3.24 показаны возможные результаты моделирования мощностныхи импедансныххарактеристик. Изданных, представленных на рисунках, в частности, следует, что максимальная.

Рис. 3.23 Рис. 3.24.

мощность Р_иыу, возможная при данном режиме работы транзистора, равна 14,22 дБм и ей соответствует сопротивление Z_A = = —60,53—у 11,22 Ом. Следовательно, для получения этой мощности необходимо создать нагрузку Z, = 60,53 + /11,22 Ом.

После анализа иммитансных характеристик активного элемента АГ в нелинейном режиме можно приступать к исследованию стационарного режима автоколебаний.

Для исследования характеристик автогенератора в системе AWR Design Environment используется так называемый генераторный зонд — элемент OSCAPROBE, который размещается в категории Elem^MeasDevice^Probes. Этот инструмент позволяет осуществлять поиск результирующей частоты генерации, определяет выходную мощность, позволяет анализировать спектральные характеристики АГ (рис. 3.25, а). Для успешного нахождения характеристик стационарного режима рекомендуется включать зонд в схему генератора между активным элементом Т_А и линейной частью цепи, включающей в себя колебательную систему Y(рис. 3.25, б).

Наиболее важные параметры зонда — Fstart и Fend. Они задают диапазон поиска частоты генерации. Обычно достаточна полоса ±25% от центральной частоты резонатора. Fsteps — число частотных точек, используемых в поиске частоты генерации, и его можно оставить по умолчанию. Исключения могут быть в случаях чрезвычайно высокой добротности резонатора, когда Fsteps нужно увеличить или сузить диапазон частотного поиска. Зонд имеет ряд вторичных параметров, которые используются для улучшения сходимости или увеличения скорости моделирования [41.

На успешное нахождение характеристик генерации (процесс поиска решений уравнений стационарного режима) существенно влияет место включения генераторного зонда в схему, которое часто определяется опытным путем. Обычно при моделировании транзисторного АГ — это коллекторный (стоковый), эмиттерный (истоковый) или базовый (затворный) вывод транзистора (см. рис. 3.25, в). Так, например, практика показывает, что при моделировании АГ на биполярном транзисторе целесообразно подключать зонд OSCAPROBE к эмиттерному выводу.

Рис. 3.25.

На этапе использования генераторного зонда не исключено диагностирование системой отсутствия автоколебаний при найденных ранее параметрах схемы. Это может быть связано как с нарушением условий сходимости используемого симулятором MWO алгоритма при наличии в схеме условий существования генерации, так и с действительной невозможностью выполнения исследуемой схемой функций автогенератора.

В первом случае можно попытаться поменять место подключения генераторного зонда или изменить параметры поиска стационарного решения. Последнее может быть особенно актуально при проектировании сверхстабильных, обладающих высокодобротными колебательными системами генераторов, в которых для нахождения решения может потребоваться локализовать частотный диапазон поиска зонда (Fstart и Fend) до единиц процентов вблизи резонансной частоты резонатора или уменьшить частотный шаг поиска решения за счет увеличения количества точек разбиения частотного диапазона Fsteps.

Во втором случае для восстановления условий генерации может потребоваться небольшая подстройка нагрузки, колебательной системы или режима работы транзистора.

Для исследования частоты и мощности первой гармоники стационарного режима, а также спектра выходною колебания генератора можно использовать характеристику Pharm, которая размещается в категории Nonlinear -«Power.

Для двух выбранных вариантов схем необходимо провести сравнительное исследование выходной мощности и спектрального состава выходного колебания. В процессе исследования определим вариант схемы, обеспечивающий наибольшую мощность автоколебаний, а также приемлемый уровень высших гармоник и меньший уровень шумов. Очевидно, выбранный вариант схемы АГ будет компромиссным решением между указанными характеристиками. При окончательном выборе схемы необходимо стараться удовлетворить следующим требованиям: Р_вых> 10… 12 дБм, уровень высших гармонических составляющих в спектре выходного колебания — не более 12… 15 дБ по отношению к основной гармонике. В процессе сравнительного исследования целесообразно оценить влияние сопротивления нагрузки и режима транзистора на частоту и мощность первой гармоники, на спектр выходного колебания.

На заключительном этапе работы следует реализовать наилучший вариант схемы в гибридном исполнении. Для этого необходимо заменить идеализированные тройники BIASTEE (см. рис. 3.19) на реальные микрополосковые цепи подачи смещения на активный элемент, исключить из схемы второй (базовый) источник постоянного тока, осуществив подачу смещения на базу от источника коллекторного питания, а также синтезировать согласующую выходную цепь, трансформирующую стандартное сопро;

Рис. 3.26.

тивление 50 Ом выходной линии к значению, найденному при моделировании.

При этом, естественно, следует предусмотреть схемные решения по развязке цепей постоянного и переменного тока (например, в выходной цепи необходимо предусмотреть разделительную емкость С_р). В качестве этой емкости, впрочем, как и других дискретных элементов в цепях развязки, можно использовать навесные SMD-компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, 5-параметры этих элементов (или их эквивалентные схемы) можно загрузить с сайтов ведущих фирм производителей электронных компонентов (например, АТС, Murata, TDK и др.), подобрав их по номиналу и типоразмеру (не более 0201 в дюймовом исчислении) [8,9].

В случае отсутствия 5-параметров SMD-резисторов можно воспользоваться их моделью, показанной на рис. 3.26.

На рисунке представлена эквивалентная схема навесного резистора типоразмера 0201 (в дюймах), включенного в разрыв МПЛ. Параметры схемы: L, = 0,135 нГн, С, = 0,04 пФ, L₂ = 0,126 нГн, С₂ = 0,022 пФ.

Следует учитывать, что заземляющие элементы в микрополосковых схемах обычно реализуются с помощью специальных перемычек — металлизированных отверстий в подложке, которые не являются идеальными заземлениями и вносят в схему дополнительные реактивности. В системе М? Одля моделирования таких элементов следует использовать компонент VIA1Р (размешается в категории Elem^Interconnects). Его параметры при выполнении данного задания: диаметр D = 0,6 мм, а Н, Т и RHO соответствуют аналогичным параметрам подложки.

На этапе реализации АГ в гибридном исполнении возможна определенная корректировка параметров схемы, полученных ранее при проведении линейного и нелинейного анализа. При моделировании микрополосковой схемы генератора целесообразно производить замену идеализированных элементов их микрополосковыми аналогами (также как и вводить дискретные SMD-компоненты) не более чем по 1−2 элементам за один раз, контролируя при этом импедансные и мощностные характеристики устройства.

Обоснуйте выбор итоговой схемы АГ. Сравните характеристики генератора на идеализированных элементах и в микрополосковом исполнении.

Тип транзистора, частоту генерации f тип ламинированного материала следует выбрать в соответствии с вариантом индивидуального задания (табл. 3.3). Параметры ламината доступны на сайте фирмы производителя Rogers [16].

Таблица 3.3.