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Low Noise Amplifier for 2.5 GHz using the ATF-35143 Low Noise PHEMT for 802.11b/g and Bluetooth Applications
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- 1. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA Jens Zimmermann 29. Oktober 2007 Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 2. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Inhaltsverzeichnis Einf¨hrung u 1 angestrebte Eigenschaften Auswahl des Transistors 2 Transistortechnologien 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Arbeitspunkte Arbeitspunkteinstellung 3 Blockschaltbild AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung 4 HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Induktive Gegenkopplung Rauschanpassung am Eingang Leistungsanpassung am Ausgang parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Schaltplan Leiterplattenentwurf Auswertung und Erkenntnisgewinn 5 Vergleich von Messung und Simulation Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 3. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung angestrebte Eigenschaften Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn angestrebte Eigenschaften Betriebsspannung und Stromaufnahme: 3,3 V ; ca. 10 mA Mittenfrequenz und Bandbreite: 2,45 GHz; 100 MHz Verst¨rkung und Verst¨rkungsgang: a a > 15 dB; lineare Gruppenlaufzeit Stabilit¨t: a absolute Stabilit¨t im a Arbeitsfrequenzbereich Rauschzahl: < 1 dB < −9 dBm Ausgangsleistung: Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 4. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn Entwicklungsstand von Kleinsignaltransistoren, Stand 1997,(erg. 2006); ZINKE-BRUNSWIG, PHEMT 0,4 µm Hochfrequenztechnik 2, 5. Auflage Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 5. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn handels¨bliche Typen u F −1 M= 1 1 − Ga Rauschparameter Herstellerteilenummer Fmin [dB] Ga [dB] Γopt M 0,66∠48,6◦ ATF-351431 0,29 15,7 0,0710 0,90∠25,0◦ ATF-360772 0,30 22,1 0,0720 0,53∠60,7◦ NE3508M041 0,41 14,0 0,1031 1 Ids = 10 mA; Uds = 2,0 V ; f = 2,5 GHz 2 Ids = 10 mA; Uds = 1,5 V ; f = 2,0 GHz Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 6. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Transistortechnologien Arbeitspunkteinstellung 3 GaAs – Sperrschicht – Feldeffekt – Transistoren Entwurf der Schaltung Arbeitspunkte Auswertung und Erkenntnisgewinn ATF35143; Uds=2,0 V; f = 2,5 GHz 0.65 20 19.5 0.6 F opt G max 19 0.55 18.5 0.5 F min [dB] 18 G max [dB] 0.45 17.5 0.4 17 0.35 16.5 0.3 16 0.25 15.5 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 I ds /Idss Zusammenhang zwischen Rauschzahl Fmin , maximalem ¨ Ubertragungsgewinn Gmax und Drainstrom Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 7. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Blockschaltbild H Ids = 10 mA und Uds = 2 V H Ugs = −650 mV Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 8. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Arbeitspunktstabilisierung DC–Ersatzschaltbild Zusammenhang zwischen Ids , Ugs und Uds Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 9. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Blockschaltbild Arbeitspunkteinstellung AP – Stabilisierung Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn Arbeitspunktstabilisierung 10,10 0,0 Ids.i -0,2 Ugs 10,05 DC–Ersatzschaltbild -0,4 10,00 Ids.i; mA Ugs; V 9.97 mA -0.618 V -0,6 Zusammenhang zwischen 9,95 -0,8 Ids , Ugs und Uds 9,90 -1,0 9,85 -1,2 1,990 1,994 1,998 2,002 2,006 2,010 Uds; V Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 10. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf HF–Eigenschaften des Transistors f = 2,5GHz Ids = 10mA Uds = 2V Stabilit¨tskreise in der a Eingangsimpedanzebene Ga · · · Kreise konstanter Ver- st¨rkung a F=0,4dB F · · · Kreise konstanter Ga=17,2dB F=0,5dB Rauschzahl Ga=16,7dB F=0,6dB Ga=16,2dB Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 11. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Konzept ‚ Einf¨gen einer induktiven u Gegenkopplung im Source-Zweig, so daß k>1 ƒ Rauschanpassung am Eingang „ Leistungsanpassung am Ausgang Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 12. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Induktive Gegenkopplung 2 1pH 1.8 25pH 50pH 1.6 100pH 1.4 150pH 200pH 1.2 Stabilitätsfaktor 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 13. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Reflexionsfaktor f¨r optimale Rauschzahl u mit LS = 150 pH ˜ Γopt = 0,644∠48,40◦ zum Vergleich: Γopt = 0,660∠49,00◦ Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 14. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf ˜ Transformation der 50 Ω–Quellenimpedanz in Γopt A → B durch Serien-C C geg.: C =12 pF −1 X = ωC =−0,11jZ0 A B B → C durch Serien-L geg.: X =+1,83Z0 X L= = 5,81 nH ω Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 15. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Verst¨rker mit Rauschanpassung am Eingang a ΓL = 0,385∠ − 103,8◦ zum Vergleich: S22 = 0,51∠ − 61.95◦ Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 16. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Transformation der 50 Ω–Lastimpedanz in ΓL ∗ A→B durch Serien-C geg.: C =3,5 pF * L −1 X = ωC = −0,36Z0 C A B→C durch Parallel-L B 1 geg.: B=+1,1 · L Z0 1 L= = 2,89 nH ωB Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 17. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild Widerstand Kondensatoren Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 18. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild Widerstand Kondensatoren 33 nH Spule Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 19. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Ersatzschaltbild 33nH Spule: LQW18AN33NG 100 140 0 120 -100 100 Widerstand -200 80 R [ Ω] X [ Ω] X Kondensatoren R -300 60 33 nH Spule -400 40 -500 20 -600 0 0 2 4 6 8 10 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 20. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 21. HF–Eigenschaften des Transistors Konzept Einf¨hrung u Induktive Gegenkopplung Auswahl des Transistors Rauschanpassung am Eingang Arbeitspunkteinstellung Leistungsanpassung am Ausgang Entwurf der Schaltung parasit¨re Eigenschaften der Bauteile a Auswertung und Erkenntnisgewinn Schaltplan Leiterplattenentwurf ‚ Aufbereitung der Versorgungsspannung Ž ƒ Arbeitspunktstabilisierung „ Verst¨rkerschaltung a Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 22. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 +j0,2 +j5.0 S12 1,5 Ghz ∞ 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 0,0 -j0,2 -j5,0 3 Ghz -j0,5 -j2,0 -j1,0 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 23. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 90 0,1 120 60 0,08 0,06 ∞ 30 S11 150 3 Ghz 0,04 S12 0,02 S21 180 0 1,5 Ghz 210 330 240 300 270 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 24. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 90 6 120 60 4 3 Ghz S11 150 30 2 S12 1,5 Ghz S21 180 0 S22 210 330 240 300 270 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 25. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 +j0,2 +j5,0 S12 1,5 Ghz S21 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 ∞ 0,0 S22 Stabilit¨tsfaktor a -j0,2 -j5,0 3 Ghz -j0,5 -j2,0 -j1,0 Simulation Messung Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 26. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 8 Simulation 7 Messung S11 6 S12 5 S21 Stabilitätsfaktor 4 S22 Stabilit¨tsfaktor a 3 Stabilit¨tskreise a 2 1 0 1,4 2,4 5 10 15 18 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 27. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn +j1,0 +j0,5 +j2,0 S11 S12 +j0,2 +j5,0 S21 ∞ 0,2 0,5 1,0 2,0 5,0 0,0 S22 Stabilit¨tsfaktor a -j0,2 -j5,0 Stabilit¨tskreise a Verst¨rkung und a Rauschzahl -j0,5 -j2,0 Stab.-Kreis f. d. Eingang -j1,0 Stab.-Kreis f. d. Ausgang Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA
- 28. Einf¨hrung u Auswahl des Transistors Arbeitspunkteinstellung Vergleich von Messung und Simulation Entwurf der Schaltung Auswertung und Erkenntnisgewinn 3 15 Rauschzahl S11 2,5 14 Gewinn S12 2 13 S21 G [dB] F [dB] 1,5 12 S22 Stabilit¨tsfaktor a 1 11 Stabilit¨tskreise a 0,5 10 Verst¨rkung und a 0 9 Rauschzahl 0,5 1 1,5 2 2,5 3 f [GHz] Jens Zimmermann Entwurf, Aufbau und Erprobung eines LNA