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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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]




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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