Wzmacniacz. Przyklady 6

Wzmacniacz. Przyklady 6

  Duże znaczenie w systemie ogólnokrajowej telekomunikacji mają radiowe linie mikrofalowe będące alternatywą do rozbudowanej sieci kablowych linii współosiowych.

Analogową radiolinią z modulacją FM przesyła się sygnał telefonii nośnej wysokiego rzędu.

Cyfrową radiolinią z modulacją fazową przesyła się sygnał telefonii cyfrowej PCM wysokiego rzędu. Im więcej jest przesyłanych kanałów telefonicznych tym mniejsza jest w pojemności w kanałach przewaga radiolinii analogowej nad cyfrową dlatego że sygnał telefonii nośnej ma tym większe szczyty im więcej ma kanałów telefonicznych i z tego względu sygnał jest bardzo trudny do przesyłania. Niemniej obecnie radiolinia analogowa przesyła przynajmniej 4 razy tyle kanałów telefonicznych co cyfrowa o takim samym ( to znaczy mocno zbliżonym ) torze RF.

Radiolinie używają anten o dużej kierunkowości i wzmocnieniu co pozwala pracować z małą mocą nadawania. Obie dokładnie ustawione anteny muszą się widzieć. Silny deszcz sporo osłabia sygnał mikrofalowy co musi być uwzględnione w bilansie aby poziom szumów / błędów nie był za wysoki.

Funkcjonują mikrofalowe radiolinie naziemno – satelitarne. Duża antena naziemna zapewnia dużą kierunkowość i wzmocnienie. Antena na satelicie siłą rzeczy ma ograniczony rozmiar.

Siły zbrojne używają do komunikacji przewoźnych radiolinii z antenami na masztach. Wystrzelone rakiety przeciwlotnicze mogą mieć łączność mikrofalową ze stanowiskiem naziemnym lub samolotem.

Łączność z satelitami badającymi kosmos odbywa się radioliniami o małej przepływności.

Radioastronomia analizuje sygnały odebrane radioteleskopami.

Mikrofal używa się w nawigacji.

Radary impulsowe i dopplerowskie pracują na zakresach mikrofalowych. Stosowane są w lotnictwie cywilnym i wojskowym oraz w systemach obrony przeciwlotniczej i antybalistycznej. Moc impulsowa radaru może być ogromna.

Bardzo użyteczne radary pogodowe są zarówno impulsowe jak i dopplerowskie. Mogą ostrzec o nadchodzącym kataklizmie pogodowym.

Prawdopodobnie w radary na bardzo wysokie częstotliwości ( mały rozmiar anteny) wyposażone są najnowsze rakiety przeciwlotnicze które w końcowej fazie lotu starają się trafić w cel co jest trudno wykonalne z uwagi na bardzo dużą wzajemną prędkość samolotu ( lub rakiety do zestrzelenia ) i rakiety i ładunek wybuchowy ze szrapnelami jest aktywowany radarem przy najmniejszej wzajemnej odległości.

Stosunkowo mała jest moc ręcznego radaru policyjnego (u nas milicyjnego ). W innej obudowie radar inicjuje wykonanie zdjęcia samochodu - kierowcy specjalnym aparatem fotograficznym z dużą kasetą na film w fotoradarze.

Udoskonalony i zastosowany w czasie wojny w radarach magnetron jest lampą generacyjną pokrywającą duży zakres mocy. Częstotliwość generacji wynika z rozmiaru wielownękowej komory rezonansowej. Sprawność magnetronu dużej mocy przekracza 60%. W USA popularność zdobywają kuchenki mikrofalowe z magnetronem zasilanym mocą do 800 W. Mikrofale nagrzewają w kuchence przygotowywaną potrawę.

Odkryty przed wojną przez braci Varian klistron jest lampą wzmacniającą o bardzo dużych możliwościach. Po wielu udoskonaleniach klistron osiągnął znaczny poziom doskonałości. Klistron refleksowy stosowany jest w generatorach heterodyn.

W radarach tuż po zakończeniu wojny bardzo szybko ustaliło się stosowane dość długo rozwiązanie. Nadajnikiem impulsowym radaru był magnetron zasilany krótkim impulsem sporego napięcia. Szybkim włącznikiem mocy był tyratron wodorowy. Odebrany anteną sygnał odbity echa radarowego kierowano do mieszacza z diodą germanową razem z sygnałem heterodyny wytwarzanym oscylatorem z klistronem refleksowym. Częstotliwość pośrednia była niewielka, rzędu 60MHz. Nie mogła być mniejsza z uwagi na wymaganą szerokopasmowość i „kanał” lustrzany. Stosowano falowody i wnęki rezonansowe o dużej dobroci co pozwalało na przykład stłumić sygnał lustrzany przed mieszaczem.

Jedna z pierwszych regularnie produkowanych diod germanowych 1N21 ( 1945 ) stosowana była jako mieszacz w odbiorniku radaru.

N.B W USA standardowe diody znakowane są od początku jako 1N.... a tranzystory jako 2N....

Stosunkowo szybko zastosowano lepszy mieszacz na dwóch diodach a diody germanowe zostały wyparte przez lepsze diody Schottky.

W stosunku do odbiornika superheterodynowego stosowanego do zakresu UHF i niższych zakresów mikrofalowych zwraca uwagę brak wzmacniacza wejściowego który polepsza czułość i tłumi kanał lustrzany. Toteż poziom szumów odbiornika mikrofalowego bez wzmacniacza wejściowego jest duży.

W ZSRR długo kopiowano dostarczone w 1945 roku ramach programu Lend Lease amerykańskie radary SCR 584 i są one nadal w użytku.

Później w radioliniach źródłem sygnału heterodyny mocy były mikrofalowe diody generacyjne. Ich wadą jest duży poziom szumów. Moc heterodyny w torze nadawczym była duża i znacznie większa niż moc sygnału wyjściowego podanego z mieszacza mocy toru nadawczego do anteny. Także moc sygnału pośredniej częstotliwości podanego do mieszacza nadawania jest duża.

Użyteczne w układach mikrofalowych są też specjalne diody Step Recovery w których czas momentalnego opadania prądu przy wyłączeniu może być około 5 ps.

Diodę tą można zastosować w powielaczu częstotliwości wysokiego rzędu.

Układy mikrofalowe wykonywane są w technice falowodowej, w ograniczonych zakresach częstotliwości koncentrycznej i w paskowej. Frezowanie odlewów nie jest tanie i przyszłość należy do techniki paskowej i mikropaskowej.

Częstotliwość graniczna Ft tranzystora wynika z rozmiarów bazy i emitera czyli z rozdzielczości technologi planarnej i użytego materiału półprzewodnika. Częstotliwość Ft tranzystorów krzemowych cały czas rośnie wraz doskonaleniem fotolitografii.

Przy tej samej rozdzielczości procesu większą częstotliwość graniczną mają tranzystory z Arsenku Galu w którym ruchliwość elektronów jest większa niż w krzemie Jest on jednak trudniejszym materiałem procesowym niż krzem.

Polowy tranzystor złączowy ze złączem Schottky nazywa się MESFET. Tranzystory te przy wysokich częstotliwościach mikrofalowych mają w tej chwili najwyższe osiągalne wzmocnienia i moce. Teoria nie do końca tłumaczy zdumiewająco niskie szumy tych tranzystorów.

W technologi paskowej odpowiednikiem uziemionego kondensatora w wąskopasmowym filtrze LC jest szeroki odcinek ścieżki a indukcyjności wąski odcinek ścieki. Najprostszym sposobem projektowania wąskopasmowych paskowych filtrów mikrofalowych jest prosta transformacja układu dyskretnego LC filtru i układu dopasowującego na ścieżki w technologi paskowej.

Opracowano też metody szerokopasmowego dopasowania impedancji w technice paskowej.

Na zakresach częstotliwości powyżej 1 GHz zdecydowanie najłatwiejsze są pomiary parametrów S czyli macierzy rozproszenia czwórników i skalara dwójników. Hewlett Packard oferuje przyrządy z wbudowanym mikroprocesorem, współpracujące z mini lub mikrokomputerem do szybkiego automatycznego pomiaru parametrów S w funkcji częstotliwości

W każdym elemencie aktywnym istnieje zwrotna pojemność między wyjściem a wejściem i wzmocniony sygnał z wyjścia przecieka do wejścia.

Składowe urojone impedancji wejściowej i wyjściowej elementu aktywnego

ograniczają jego wzmocnienie aperiodyczne. We wzmacniaczu z układem dopasowującym „LC” są one zmniejszane i wzmocnienie elementu silnie rośnie. Część elementów aktywnych przy optymalnym dla maksymalnego wzmocnienia dopasowaniu wejścia i wyjścia jest niestabilna i stałby się generatorem. Ale nawet bez generacji przeciek sygnału z wyjścia na wejście powoduje zniekształcenie charakterystyki częstotliwościowej filtru wejściowego i wyjściowego. Przyjmuje się że wzmocnienie od punktu generacji winno być obniżone circa 4 razy ( czasem więcej w wymagających układach ) i tyle ma wynosić współczynnik niedopasowania wejścia i wyjścia Stearnsa s.

Do średnich częstotliwości pojemność zwrotną można neutralizować i podwyższyć (w praktyce do 2 razy ) stabilne wzmocnienie.

Aby uprościć konstrukcje wzmacniaczy pośredniej częstotliwości do odbiorników TV wyprodukowano lampy o bardzo małej pojemności zwrotnej i później tranzystorów o bardzo małe pojemności Cbc zwrotnej. Wystarczają 3 stopnie wzmocnienia a można by nawet rozważyć dwa stopnie !

Sprawa wzmacniacza pośredniej częstotliwości dla odbiornika TVC jest dużo trudniejsza.

Mosfety z podwójna bramka do głowic VHF – UHF mają bardzo małą pojemność zwrotną i duże wzmocnienie. Z obu stron mogą być one dopasowane.

Nowoczesne tetrody ceramiczne mocy na zakres VHF są liniowe i mają duże wzmocnienie. Konstrukcja z nimi na przykład nadajnika UKF-FM jest łatwa. Konstrukcja specjalnej podstawki tetrody zapewnia jej neutralizacje. Ale i tak wejście – siatka 1 ma być celowo niedopasowana i w aplikacji tetrod w wejściowym układzie dopasowującym LC widać w obwodzie siatki bezindukcyjny rezystor mocy. Producent uważa że ma być odpowiedni margines stabilności aby nadajnik bez problemu ładnie pracował i łatwe było jego zestrojenie. Niedopasowanie wejścia siatki wcale nie oznacza ze wejście wzmacniacza jest niedopasowane do lini 50/75 Ohm. Wręcz odwrotnie !

Problem przecieku sygnału pojemnością zwrotną jak najbardziej dotyczy też tranzystorów mikrofalowych.

Sprzęgacz kierunkowy jest czterowrotnikiem o kierunkowych własnościach przesyłania i rozdziału sygnału mikrofalowego.

Sprzęgacze zbliżeniowe składają się z odcinków linii paskowych sprzężonych elektrycznie i magnetycznie. Mankamentem sprzęgaczy zbliżeniowych jest wymagana bardzo wąska i precyzyjna szczelina między paskami - ścieżkami. Jest trudna technologicznie. Sprzęgacz kierunkowy Lange'a wyróżnia się szerokopasmowością, dochodzącą do 1:6. Kilka (najczęściej 4 ) odcinków sprzężonych linii paskowych jest połączonych na długości krzyżującymi się drucikami.

Częstotliwość heterodyny lub sygnału wyjściowego można kontrolować na dwa sposoby:

-Powielając częstotliwość sygnału ze stabilnego generatora ( może być trochę modulowany FM ) prostą kaskadą selektywnych powielaczy tak jak przykładowo czyniono to w radiotelefonach VHF - FM

-Pętlą PLL gdzie kontrolowana częstotliwość przed podaniem do detektora fazowo - częstotliwościowa jest dzielona. Wysoka częstotliwość jest dzielona „preskalerem”. Obecnie ich zakres nie przekracza 1500 MHz a więc jak na mikrofale jest wąski

W USA najlepsze przyrządy pomiarowe produkują Hewlett Packard i Tektronix. HP produkuje użyteczne przyrządy do techniki mikrofalowej do 40 GHz.

Lepsze przyrządy niszowe są wytwarzane w pojedynczych sztukach za horrendalną cenę. HP pierwszy w świecie wyprodukował dla siebie scalony mikroprocesor 16 bitowy będący ekwiwalentem procesora minikomputera HP-2100.

HP ma własną fabrykę półprzewodników i produkcje katalogową oferuje w sprzedaży. Oferuje m.in. mikrofalowe tranzystory krzemowe i z Arsenku Galu. Publikuje informacje o ich zastosowaniach.

Pasmo wzmacniacza szerokopasmowego z definicji powinno być conajmniej 20%. Wzmacniacze do telewizji kablowej CATV są ultraszerokopasmowe. Ekstremalna ultraszerokopasmowość może sięgać prądu stałego czyli zera Hz.

Od wzmacniacza szerokopasmowego RF oczekujemy dobrego dopasowania falowego wejścia i wyjścia bowiem odbicia sygnałów są szkodliwe jako degradujące informacje w sygnale. We wzmacniaczach CATV celem uzyskania płaskiej charakterystyki częstotliwościowej i kontrolowanej impedancji wejściowej i wyjściowej stosowane jest ujemne sprzężenie zwrotne szeregowe ( opornik emiterowy Re ) i równolegle dwójnikiem RL z kolektora na bazę.

Ponieważ transkonduktacja MESFETa z arsenku galu jest mało zmienna to traktujemy ją jako rezystor sprzężenia zwrotnego Re. Wystarczy dodać sprzężenie zwrotne równolegle czyli dwójnik „RL”z drenu na bramkę i odcinakami linii jak najmocniej odjąć składowych urojonych impedancji wejścia i wyjścia.

Innym rozwiązaniem wzmacniacza szerokopasmowego ( ale w żadnym razie nie ultraszerokopasmowego jak wyżej ) jest wzmacniacz zrównoważony. Sygnał wejściowy poprzez sprzęgacz kierunkowy podany jest na dwie bramki tranzystorów a wzmocniony sygnał z drenów stopni na wyjściowy sprzęgacz kierunkowy. Niedopasowania impedancji tranzystorów przy idealnych sprzęgaczach kierunkowych skutkują wytraceniem części mocy w rezystorze dołączonym do jednej końcówki sprzęgacza.

Na schemacie pokazano hybrydowy szerokopasmowy liniowy wzmacniacz mocy 500 mW na zakres 2-7 GHz. Długość bramek MESFETów wynosi 0.5 um a ich szerokość podano na schemacie. Pobór mocy wzmacniacza wynosi 10 W. Najbardziej interesującym elementem w tym wzmacniaczu są sprzęgacze kierunkowe.

Cztery przeplecione ścieżki - palce w sprzęgaczu kierunkowym są w odległości 30um z tolerancja 2 um. Sprzęgacze wykonane są na płytce z szafiru grubości 0.64 mm. HP lubi szafir bowiem stosuje też technologie CMOS SOS gdzie SOS to Silicon on Saphire. Szafir jako jubilerski kamień szlachetny jest drogi.

Ale MESFETy HP wzmacniają nawet przy częstotliwości 26.5 GHz.

Na schemacie pokazano szerokopasmowy podwajacz częstotliwości sygnału i wzmacniacz na zakres 18-26.5 GHz. MESFETy można wykonać także jako dwubramkowe gdy istotna jest mała pojemność zwrotna. Podwajacz działa podobnie jak prostownik dwupołówkowy. MESFETy z podwójną bramką celowo spolaryzowano tak aby były nieliniowe. Wejściowe odwrócenie fazy jednego sygnału uzyskano w liniach co-planarnych. Sygnał z powielacza jest wzmocniony i poprzez modulator amplitudy z dwoma diodami PIN o głębokości 15 dB podany do stopnia końcowego. Na wyjściu część sygnału ze sprzęgacza mikropaskowego podano do detektora z diodą Schottky i dalej do układu regulacji poziomu.

Kraje RWPG nie opanowały technologi telefonii nośnej dużej krotności. Jest to trudna technologia rozwijana od lat trzydziestych.

Ale cyfrowa technologia telefonii PCM ( a przecież produkujemy na francuskiej licencji centrale PCM E-10 ) umożliwia budowę krajowej czy kontynentalnej sieci łączności siecią cyfrowych radiolinii mikrofalowych. Mimo użycia elementów mikrofalowych i szybkich układów logicznych ta radiolinia jest znacznie prostsza niż skomplikowany element (!) systemu telefonii nośnej krotności ca 10 tysięcy.

Pierwszą radiolinie do przesyłu sygnału telefonii nośnej Bell Laboratories oddał w 1946 roku gdy zaczęto budować całą sieć. W Polsce zniszczonej okrutną okupacją trwała wtedy wojna domowa.

Prawdopodobnie kolejnym medium transmisyjnym będzie raczej światłowód. Artykuł z 1975 roku omawia eksperymentalne sterowanie MESFETem nadawczej diody laserowej i odbiornik ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym dla przepływności 200 Mbits/s. W 1980 roku jest już przepływność 1 Gbits/s. Do kompletu brakuje światłowodów o małej stratności i dyspersji ale rzekomo już jest uruchamiana ich produkcja. Możliwe że trzeba będzie wymyślić laser na pasmo gdzie tłumienie światłowodu i dyspersja są bardzo małe. To tylko kwestia czasu jako że pomysłowość ludzka jest nieskończona. Potencjalna pojemność światłowodu przekracza granice obecnej wyobraźni i potrzeby. Coś się stworzy aby powstałe możliwości wykorzystać !

Każda generacja systemów transmisji informacji rozwijała się i rozwija dość długo.

Mamy więc szanse przespania trzeciej generacji szerokopasmowowego systemu przesyłu informacji. Mamy naprawdę mocny sen !

Obserwacja sygnałów mikrofalowych jest trudna. Pasmo oscyloskopów nie sięga nawet 1 GHz i nie należy się spodziewać dużego postępu w tej mierze jako że wąskim gardłem jest sama lampa oscyloskopowa i tak już bardzo udoskonalona z elektrodami odchylającymi z dopasowaniem falowym.

Pierwszy szybki oscyloskop próbkujący powstał w 1959 roku i miał pasmo 300 MHz a więc wówczas szerokie jako że pasmo oscyloskopów rzadko przekraczało 20 MHz. HP produkował i produkuje wkładki próbkujące do oscyloskopów o bardzo szerokim paśmie. Układ synchronizacji z sygnałem wykonywano na Diodach Tunelowych bowiem tylko one były wystarczająco szybkie w zakresie mikrofalowym. DT jest diodą mikrofalową z odcinkiem ujemnej dynamicznej rezystancji. Sygnał z układu synchronizacji jest wzmocniony a finalny bardzo krótki impuls próbkujący dla mostka próbkującego sygnał z diodami Schottky wykonany jest najczęściej wspomnianą diodą Step Recovery. Częstotliwość próbkowania jest stosunkowo niewielka na tle sygnału mikrofalowego i jeśli sygnał jest zmodulowany aliasing daje absurdalne oscylogramy.

Analizatorem Spectrum można obserwować widmo sygnału pośredniej częstotliwości IF w pracującej radiolinii mikrofalowej lub wyrafinowanym przyrządem nawet widmo nadawanego sygnału mikrofalowego.

Trudnym zadaniem jest dokładny pomiar wysokich częstotliwości mikrofalowych.

HP w skomputeryzowanym przyrządzie wykorzystał wiedzę z oscyloskopów próbkujących. Do głowicy próbkującej sygnał mikrofalowy z diodami Schottky podaje się z syntezatora z pętlą PLL sygnał heterodyny ( faktycznie harmonicznej ) w przedziale 885.2 do 1056 MHz. Dioda Step Recovery w głowicy wykonuje bardzo szybko narastające impulsy próbkujące z tą częstotliwością podane do głowicy próbkującej czy jak kto woli mieszającej na harmonicznych. Widmo tych impulsów próbkujących – mieszających spada bardzo powoli wraz z częstotliwością aż do 40 GHz. Uzyskany sygnał pośredniej częstotliwości IF po wzmocnieniu jest zliczany szybkim licznikiem. Ponieważ pomiar jest niejednoznaczny dopiero po pomiarach z serią częstotliwości „heterodyny” sprytny algorytm wyznacza mierzoną częstotliwość do 40 GHz z rozdzielczością 1 Hz i dużą dokładnością jako że użyto jako podstawy częstotliwości bardzo dokładny generator kwarcowy. Oczywiście przyrząd ma interfejs do minikomputera.