Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Kasım 2014, Bursa

Transkript

1 lc 0 lktrik lktrnik ilgisayar v iymdikal Mühndisliği mpzyumu, 7 9 Kasım 0, ursa Yüksk Dinamik Aralıklı, i-g Transistrlu, 8-GHz imtrik ürümlü ınıfı Kuvvtlndirici High Dynamic Rang 8 t GHz lass- Push Pull Amplifir with i-g Tchnlgy Hilal Hily any, Osman Palamutçuğulları, lktrnik Mühndisliği İstanul Tknik Ünivrsitsi canyh@itu.du.tr pal@itu.du.tr Özt u çalışmada i-g HT tknljisi kullanılarak 8-GHz frkans andında işlv göstrn simtrik sürümlü sınıfı kuvvtlndirici tasarımı yapılmıştır. Giriş v çıkış dngli kapıları dngsiz kapılara uyumlamak v sistm ant gçirn özllik kazandırmak amacıyla giriş v çıkışlarında kullanılmak üzr AWR D Marchand alunu tasarlanmıştır. Kullanılacak i-g transistr d yin aynı nztim prgramında mdllnrk simtrik sürümlü yapı kurulmuştur. imtrik sürümlü yapının girişind kazancı arttırmak v d giriş mpdans uyumunu sağlamak amacıyla farksal kuvvtlndirici yapısı kaskat larak klnmiştir. slm grilimi transistrun grilim karaktristiğin gör V larak lirlnmiştir. nuçta ant yunca d üzrind kazanç, 5dm üzrind çıkış d astırma nktası (OIPd), 0dm üzrind çıkış. drcdn ksişim nktası (OIP) ld dildi. Astract mplying i-g smicnductr tchnlgy, 8 t GHz push-pull lass amplifir is dsignd with input and utput alun structurs du t mak tw alancd prt ntwrk suital t utiliz in singl ndd systms, using AWR-D simulatin prgram. Applying input and utput aluns als prvids impdanc matching and and-pass charactristic fr dsignd ntwrk. Push-pull amplifir structur is uilt y using ig transistr mdl in sam simulatin prgram. Thr is a diffrntial amplifir with fdack du t adjust input impdanc and sids that incras th ttal gain. upply vltag f th structur is dfind as V accrding t charactristics f th chsn transistr mdl. As th rsults, gain is vr d, utput d cmprssin pint (OPd) is vr 5dm, utput rd rdr intrsctin pint (OIP) is vr 0dm fr dsird andwidth... Giriş Harlşm tknljilrind kayddiln önmli ilrlmlr snucund harlşm lktrniğindki çalışmalar hız kazanmıştır. Glişn mdülasyn tkniklri snucu yüksk frkansta işlv göstrn yüksk frkanslı lktrnik yapılar önmli hal glmiştir. Harlşm sistmlrind yüksk frkanslı işartlrin kullanılması, n tml larak dalga yunun v una ağlı larak alıcı v vrici antn yutlarının küçülmsi için grkli lmuştur. Yüksk frkans lktrniğinin kullanıldığı alanlardan irkaçı, uydu harlşmsi, askri harlşm sistmlri, radarlar, lktrnik harp uygulamalarıdır. Yüksk frkanst gniş antlı v yüksk dinamik aralıklı işlv göstriln kuvvtlndiricilr u uygulamalar için çk önmli ilşnlrdir. u çalışmada giriş v çıkış alun tasarımı v farksal kuvvtlndirici giriş katı il dstklnn sınıfı simtrik sürümlü kuvvtlndiricinin nztim rtamında mdllmsi yapılmıştır.. alun Tasarımı Giriş alunu için çşitli alun tiplri (Guanll attic v.) inclnmiş, ancak ant gçirn özlliğ [] v simtrik sürümlü yapıya uygunluğu siyl Marchand alun yapısı (Şkil ) trcih dilmiştir. Giriş R Giriş λ/ λ/ λ/ λ/ Şkil : Marchand alun yapısı. Görüldüğü gii Marchand yapısı tplu lmanlarla ya da dağılmış paramtrli lmanlarla (kaksiyl hatlar, mikrşrit hatlar v.) grçklnilir. u çalışmada asılı (suspndd) 6

2 lc 0 lktrik lktrnik ilgisayar v iymdikal Mühndisliği mpzyumu, 7 9 Kasım 0, ursa mikrşrit taan malzmsi kullanılmıştır, özlliklri Çizlg d vrilmiştir. Çizlg : Kullanılan taan malzmsi özlliklri. Paramtr Dğr Dilktrik katsayısı. Yüksklik 0.mil Yüksklik 00mil Mtal kalınlığı 0.08mil Kayıp tanjantı ~0 imtrik sürümlü kuvvtlndirici yapısında kullanıma uygun hal gtirmk için, alun yükü ikiy ölünrk hsaplamalar Şkil y gör yapılmıştır. ( Y )ct ( Y )ct ( Y )csc ( Y )csc ( Y )ct ( Y )ct ( Y )csc ( Y )csc j ( Y )csc ( Y )csc ( Y )ct ( Y )ct ( Y )csc ( Y )csc ( Y )ct ( Y )ct Y (5) Marchand alunu için idald =0 v =- lduğundan, ifadyi dnklm (6) ya indirgyiliriz. (( Y Y )csc ) ( Y Y ) Y Y csc 0 (6) Y Y Y Y (7) (8) Tasarlanmak istniln alun için kaynak mpdansı =50hm, yük mpdansı =5hm lacaktır. u dğrlr dnklm (8) uygulandığında tk md mpdansı il çift md mpdansı arasındaki ağıntı dnklm (9) daki gii rtaya çıkmış lur []. Şkil : imtrik sürümlü kuvvtlndirici için Marchandalun yapısı. a v şlnmiş hatlarının. v. Kl mpdanslarına gör hsaplamaları (), (), () v () nlu dnklmlrd vrilmiştir[]. K () K () K a ( ) ( ) K, () ( ) ( ) () ( ) ( ) 5 (9) 5 u ağıntıya gör kaynak v yük mpdanslarına uygun tk md v çift md mpdans karaktristiği MATArtamında çizdirilmiştir. ld diln ğri üzrindn tk md mpdansı =.69hm v çift md mpdansınktası sçilmiştir(şkil ). 50hm:5hm Marchand alun Icin Tk Md - ift Md mpdans Grafiği X:.69 Y: Şkil : 50hm:5hm alun karaktristiği için tk md-çift md mpdans grafiği. Şkil : Hsaplamalarda kullanılan şdğr dvr. Tasarlanmak istniln alun için kaynak admitansı Y =50hm, yük mpdansı Y =5hm lacaktır. şlnmiş hattın admitansı tk v çift md admitanslar cinsindn dnklm (5) tki gii ifad dilir. Tk v çift md mpdanslar lirlndiktn snra () dnklmind yrin knularak şlnm faktörü K, () dnklmind yrin knularak tplam mpdans dğri hsaplanır. ulunan v K () v () dnklmlrin yrlştirildiğind v mpdansları hsaplanır. 7

3 lc 0 lktrik lktrnik ilgisayar v iymdikal Mühndisliği mpzyumu, 7 9 Kasım 0, ursa u durumda taan malzmsinin özlliklrin gör AWR-D Micrwav Offic nztim rtamında TX IN aracı il şlnmiş hatların kalınlıkları lirlnmiştir(şkil 5 v Şkil 6). Çıkış alunu larak : alun tasarlanmıştır, yapı v ptimizasyndan snra alınan nztim snuçları Şkil 9 v Şkil 0, Şkil d görülilir. AP ID= = pf MPU r=. Tand=0 H=0. mil H=00 mil T=0.08 mil Rh=0.8 rnm=. Nam=MPU P= =.5 Ohm.96 V.96 V AP ID= W = pf W W W P= =50 Ohm MP ID=T W=W mil W=W mil = mil V Acc=.97 V.97 V MP ID=T W=W mil W=W mil = mil Acc= DV ID=V V= V P= =.5 Ohm Şkil 5: mpdansını göstrn hattın kalınlığı. Şkil 9: : çıkış alunu yapısı. Şkil 6: mpdansını göstrn hattın kalınlığı. Kuramsal hsaplamalar snucu ulunan dğrlr AWR-D Micrwav Offic nztim rtamında ptimiz dilmiştir. P= =50 Ohm MP ID=T W=0.85 mil W=0. mil = mil Acc= W =9.9 MP ID=T W=. mil W=.09 mil = mil Acc= W Şkil 0: : çıkış alunu yapısı. kapı çıkışına gör nztim snucu. MPU r=. Tand=0 H=0. mil H=00 mil T=0.08 mil Rh=0.8 rnm=. Nam=MPU W W P= =5 Ohm P= =5 Ohm Şkil 7: nztim rtamında luşturulan Marchand alunu. Şkil : : çıkış alunu yapısı. kapı çıkışına gör nztim snucu.. Kuvvtlndirici Tasarımı Şkil 8: nztim snuçları. Kuvvtlndirici 8-GHz ant aralığında işlvini yrin gtirmk üzr sınıfı simtrik sürümlü yapıda tasarlanmıştır (Şkil ). Girişind Marchand alun yapısı kullanılmıştır. Marchand alununun ant gçirn yapısı saysind çift 8

4 VI ID=V7 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff ID=VP5 R ID=R R=75 Ohm 9.9 ID=VP9 ma 9.7 ma 9.7 ma R ID=R6 R=000 Ohm 0.5 ma R ID=R7 R=5000 Ohm R ID=R0 R=7000 Ohm 0.8 ma. V AP ID=9.8 V VI ID=V TMP=_TMP Dg MUT= =0 pf FT=ff 0.8 ma 0.8 ma R ID=R8 AP ID=7 = pf R ID=R R=500 Ohm ID=5 R=00 Ohm =0 nh 0 ma R ID=R6 R ID=R V. V 7. ma AP ID= V = pf V 7.7 ma 7.7 ma R ID=R R=00 Ohm 7. ma 0.7 VID=VP 7. ma ID=VP 7. ma V AP ID=5 =0 pf UKT ID= NT="March" P= =50 Ohm Pwr=-0 dm V 5.9 ma AP ID=6 ID=VP0 DV ID=V V= V R ID=R R=00 Ohm R ID=R7 R =0 pf ID=R ID=VP V ID=VP V 7. ma 0.8 ma VI ID=V5 R TMP=_TMP Dg ID=R7 MUT= R=000 Ohm FT=ff 7. ma 0.7 V AP ID= = pf 7.7 ma ID=6 =0 nh 7.7 ma 7. ma 7. ma R ID=R5. V R=00 Ohm AP ID=8 = pf 0.8 ma R ID=R9 R=500 Ohm.8 V R ID=R R=7000 Ohm 0.8 ma. V V 0.5 ma R ID=R8 R=5000 Ohm 0 ma 0.9 ma AP ID=0 =0 pf 9.9 ma VI ID=V6 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff ID=VP8 9.7 ma 9.7 ma R ID=R R=75 Ohm.6 V AP ID= = pf VI ID=V.6 V AP ID= =0 pf TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff VI ID=V5 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff ID= = nh ID= = nh. ma V.6 ma. ma R ID=R6 DV ID=V V= V.6 ma.6 ma R=85 Ohm V V.6 ma V 5 ma R ID=R8 R=50 Ohm R ID=R5 R=0 Ohm. ma 5.9 ma.5 V. ma VI. ma ID=VP ID=V TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma ID=VP R ID=R R= Ohm R ID=R R= Ohm ID=VP V.8 ma V.8 ma 7. ma ID=VP5 7. ma VI ID=V VI TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma ID=V TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 7. ma ID=VP7 VI ID=V6 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma 7. ma ID=VP6 VI 7. ma ID=V0 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff V 6. ma UKT ID= VI ID=V7 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma.99 V 6 ma NT="Outputalun" ID=VP 7. ma VI 7. ma VI ID=V8 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma ID=V TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 7. ma P= =50 Ohm VI VI ID=V9 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 7. ma 7. ma ID=V TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 0 ma VI 7. ma ID=V TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff VI ID=V8 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff 7. ma VI ID=V9 TMP=_TMP Dg MUT= FT=ff OPd lc 0 lktrik lktrnik ilgisayar v iymdikal Mühndisliği mpzyumu, 7 9 Kasım 0, ursa harmnik ilşnlr süzülmüş, aynı zamanda mpdans uyumu da sağlanmıştır. Çıkışta is n iyi güç aktarımına lanak tanıyacak lan, aynı zamanda sınıfı il uyumlu işlv göstrrk hr ir çıkış kapısı yarım priyt iltimd lan : alun kullanılmıştır. Şkil 5: Frkansa gör OIP karaktristiği. Şkil : nztimd mdllnn tüm yapı. Şkil 6: Giriş gücü arttırılarak kazancın d azaldığı nktanın ulunması. 6.6 Frkansa Gr ikis d astirma Nktasi Şkil : Giriş yansıması v kazanç snuçları Frkans[GHz] Şkil 7: Frkansa gör OPd. Şkil : Giriş v çıkış düğüm grilimlri. 9

5 lc 0 lktrik lktrnik ilgisayar v iymdikal Mühndisliği mpzyumu, 7 9 Kasım 0, ursa. nuçlar Yüksk dinamik aralıklı 8-GHz ınıfı simtrik sürümlü kuvvtlndirici tasarımı aşarıyla grçklnmiştir. Kazancı arttırmak, daha da önmlisi giriş mpdans uyumunu gri slm il sağlamak amacıyla simtrik sürümlü yapının girişind kaskat ağlanan farksal kuvvtlndirici dvrsi kullanılmıştır. nztim snuçlarına gör kazanç, dğrusallık, ant gnişliği istrlri ldukça iyi ir şkild sağlanmıştır. nztimd ld diln snuçlarla tasarlanan kuvvtlndirici Çizlg dki gii tanımlanailir. Çizlg : nuçlar. Dğişkn Kazanç OPd OIP ant aralığı Dğri >d >5dm >0dm 8-GHz <-0d 5. Kaynaklar [] Rgrs, J. v Pltt.. Radi Frquncy Intgratd ircuit Dsign, Jhn Wily and ns, 00. [] Fathla, W. M., Nw lasss f Miniaturizd Planar Marchand aluns, Vl. 5, 9. [] Trifunvic, V., Jkanvic,. (99). Fur Dcad andwidth Uniplanar alun, lctrnic ttrs, Vl. 8, N. 6,