HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/1. U Bat C 2. Bild 1: Schaltbild des einstufigen Verstärkers

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1 HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/1 1. Grundsätzliches Ziel des Versuchs ist der Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers für den Frequenzbereich von 50 MHz bis 500 MHz, der eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω angepasst sein soll. Die S-Parameter des Verstärkers sollen gemessen und die Rauschzahl und Rauschtemperatur bestimmt werden. Der Versuch erstreckt sich über drei Labortermine. Während der ersten beiden Termine werden vorbereitende Berechnungen und Messungen durchgeführt. Bei den weiteren Terminen ist dann der Verstärker freitragend auf einer kupferkaschierten Platine aufzubauen, so dass die S-Parameter und die Rauschzahl gemessen werden können. Zu jedem Termin sind die jeweiligen Vorbereitungsaufgaben von jedem Laborteilnehmer schriftlich zu lösen. Diese sind zu Beginn des Termins bei dem Betreuer von jeder Gruppe abzugeben und teilweise vor der Gruppe zu präsentieren bzw. vorzurechnen. Nach den drei Terminen ist spätestens drei Werktage vor der abschließenden Rücksprache am 08. Juli 2014 ein Protokoll abzugeben, welches den Umfang von 20 Seiten nicht übersteigen sollte. Für eine erfolgreiche Durchführung des Versuchs ist die Kenntnis der entsprechenden Kapitel der angegebenen Literatur Voraussetzung. 2. Grundprinzip U Bat C 3 R 2 E R 1 BFR91 C 2 A C 1 Bild 1: Schaltbild des einstufigen Verstärkers Der Verstärker soll eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω betrieben werden. Die Leistungsverstärkung erfordert daher eine Verstärkung von Strom und Spannung. Ohne Impedanztransformation ist dies nur mit einer Emitterschaltung wie zum Beispiel in Abbildung 1 möglich. Als aktives Element soll der npn-silizium-transistor BFR91 verwendet werden (siehe beigefügtes Datenblatt) Kleinsignal-HF-Ersatzschaltbild Um die HF-Eigenschaften des Transistors charakterisieren zu können, wird das aus der Vorlesung bekannte Giacoletto-Ersatzschaltbild verwendet [1]. In Abbildung 2 wurden zusätzlich zum vereinfachten Giacoletto-Ersatzschaltbild an Basis und Kollektor noch Zuleitungsinduktivitäten eingefügt.

2 HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/2 c 12e c csp B C L r b U b L e r e c e 1 r e U b e E Bild 2: Vereinfachtes Giacoletto-Ersatzschaltbild eines bipolaren Transistors mit Zuleitungsinduktivitäten 3. Termin Vorbereitungsaufgaben Gleichstrom-Arbeitspunkt Welche Versorgungsspannung U Bat ist laut Datenblatt maximal zulässig, ohne den Transistor zu gefährden? Wählen Sie eine um 3 Volt niedrigere Versorgungsspannung U Bat! Durch welche zwei Mechanismen wird die Wechselspannungsauslenkung am Kollektor begrenzt, bzw. wann treten starke Verzerrungen auf? Wie muss also die Gleichspannung am Kollektor gewählt werden, um maximale Auslenkungen zu ermöglichen? Der Emittergleichstrom wird durch die maximale Verlustleistung begrenzt. Welcher maximale Strom wäre hier zulässig? Bestimmen Sie die Widerstände R 1 und R 2 für I E = 30 ma! Setzen Sie hierfür eine Gleichstromverstärkung von 50 an Bestimmung der Streuparameter des Transistors Mit Hilfe des Giacoletto-Ersatzschaltbildes lassen sich auch die S-Parameter des Transistors bestimmen. Im Folgenden ist S 11 unter der Annahme zu bestimmen, dass c 12e = c csp = 0 gilt. Bestimmen Sie zunächst r e und c e für β 0 = 80 und ω α = ω T für I E = 30 ma (U T = 25 mv). Bestimmen Sie für eine Zuleitungsinduktivität von L = 1.5 nh den Basisbahnwiderstand r b für möglichst gute Übereinstimmung mit den Werten aus dem Datenblatt. Vergleichen Sie die berechneten Werte mit denen aus dem Datenblatt in einem Smith-Diagramm. Erläutern Sie anhand des Smith-Diagrammes, warum zusätzlich zum normalen Giacoletto-Ersatzschaltbild die Zuleitungsinduktivität gebraucht wird Die Koppelkondensatoren Die Kapazitäten C 1, C 2 und C 3 sind idealerweise unendlich groß. Mit der Kapazität eines Kondensators wächst leider im Allgemeinen die parasitäre Induktivität, so dass der Blindwiderstand für hohe Frequenzen sehr groß wird. Skizzieren Sie den erwarteten Frequenzverlauf von S 11 eines Serienschwingkreises

3 HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/3 in einem Smith-Diagramm. Bestimmen Sie den Frequenzverlauf von S 21 für mindestens 6 Kombinationen von L = nh und C = pf für einen Bereich von 1 MHz bis 2 GHz und geben Sie die jeweilige Resonanzfrequenz an Praktischer Teil Im praktischen Teil erhalten Sie zunächst eine Einführung in das Programm Ansoft Designer, sofern keine Vorkenntnisse aus der Rechenübung zu Hochfrequenztechnik I vorliegen. Ansoft Designer dient der Bestimmung von S-Parametern sowie dem Design von Mikrowellenschaltungen. Im Rahmen dieses Labors wird nur die erstgenannte Anwendung genutzt. Folgende Punkte sind im Rahmen dieses Termins zu bearbeiten: Machen Sie sich mit den grundlegenden Befehlen der Menüführung vertraut. Entwerfen Sie eine LC Reihenschaltung und bestimmen Sie S 11 (Smith-Chart) und S 21 entsprechend der dritten Vorbereitungsaufgabe. Wie ändert sich der Verlauf von S 11, wenn zusätzlich zur Kapazität (LC Reihenschaltung) auch mögliche Zuleitungen berücksichtigt wird? Nehmen Sie hierbei an, dass die Kapazität mit C = 50 pf und L = 10 nh zwei Zuleitungen mit jeweils einer Induktivität von 10 nh und einer Kapazität von 1 pf aufweist. Welche Annahme wurde bei der Beschreibung der Zuleitungen mit jeweils nur einer Kapazität und Induktivität gemacht? Entwerfen Sie eine Schaltung entsprechend dem Giacoletto-Ersatzschaltbild mit r b = 45 Ω, c 12e = 0.65 pf und c csp = 0.1 pf. Verwenden Sie hierbei die bereits vorgegebene gesteuerte Stromquelle aus der Datei stromquelle.s2p. Achten Sie besonders auf das richtige Verschalten der Stromquelle. 4. Termin Vorbereitungsaufgaben Leiten Sie die in Anhang A angegebenen S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle analytisch her. Bestimmen Sie mit Hilfe des Programmes Ansoft Designer die Streuparameter des Transistors. Vergleichen Sie sie mit den Werten im Datenblatt sowie mit dem analytisch bestimmten S 11. Zeichnen Sie dazu S 11 und S 22 in ein Smith-Diagramm. Die Ortskurven von S 12 und S 21 sind in ein Diagramm für Polarkoordinaten und als Betrag in kartesischen Koordinaten zu zeichnen. Versuchen Sie durch sinnvolle Modifikation der Parameter bzw. weitere parasitäre Komponenten die Übereinstimmung zwischen Simulation und Datenblatt zu verbessern.

4 HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/ Praktischer Teil: Leitungsinduktivitäten Machen Sie sich mit dem Netzwerkanalysator genauer vertraut. Zunächst soll die parasitäre Induktivität der Anschlussdrähte untersucht werden. Dazu wird ein Koppelkondensator viermal hintereinander mit jeweils verschiedenen Längen der Anschlussdrähte zwischen die BNC-Buchsen der Platine gelötet. Mit dem Netzwerkanalysator lassen sich nun die Streuparameter der LC-Reihenschaltung bestimmen. Die Induktivität lässt sich ungefähr mit der aufgedruckten Kapazität aus der Resonanzfrequenz bestimmen. Zeichnen Sie die Induktivität über der Länge auf und formulieren Sie daraus eine Merkregel Induktivität pro Länge in nh/mm! Beachten Sie diese Merkregel beim Aufbau des Verstärkers und schätzen Sie den Einfluss der Induktivitäten bei f = 1 GHz ab! Analog zu den Vorbereitungsaufgaben ist der nutzbare Frequenzbereich verschiedener Kondensatoren, d.h. Kapazitäten und Induktivitäten entsprechend der Anschlussdrähte, zu bestimmen. Dazu werden die Kondensatoren wiederum in Transmission zwischen die beiden BNC-Buchsen gelötet. Geben Sie den Verlauf von S 11 im Smith Diagramm und von S 21 in kartesischen Koordinaten an. Vergleichen Sie Ihre Messergebnisse mit den vorher durchgeführten Simulationen (Termin 1). Für den Verstärker sollte der nutzbare Frequenzbereich ( S 21 3 db) mindestens von 50 MHz bis 500 MHz reichen entsprechend einer geringen Güte Q des resultierenden Schwingkreises. Nimmt man als einzige ohmsche Elemente die beiden Leitungswellenwiderstände mit 50 Ω an, so ergibt sich die Güte des Schwingkreises zu Q = ω 0 L/100 Ω mit ω0 2 = 1/LC. Wählen Sie nach den Messungen einen geeigneten Kondensator aus! 4.3. Praktischer Teil: Messung der Streuparameter Die Verstärkerschaltung aus Abbildung 1 ist freitragend auf der Kupfer-kaschierten Platine aufzubauen. Berücksichtigen Sie hierbei den Einfluss der Zuleitungsinduktivitäten! Erläutern Sie die Funktion der Kapazität C 3 (C 3 1 nf). Die S-Parameter des Verstärkers sollen nun zwischen 4 MHz und 1.3 GHz gemessen und skizziert werden (Transmission nur als Betrag, Reflexion im Smithdiagramm). Da der Netzwerkanalysator je nach Modell eventuell nur in eine Richtung messen kann, müssen in diesem Fall Ein- und Ausgang des Verstärkers vertauscht werden, um S 12 und S 22 messen zu können. Wie groß ist der Gewinn bei 110 MHz? Vergleichen Sie die gemessenen S-Parameter mit den vorher berechneten und denen aus dem Datenblatt. Wie lassen sich eventuelle Abweichungen erklären? Gehen Sie hierbei auf etwaige Abweichungen des simulierten Modells von dem tatsächlich Laboraufbau ein. 5. Termin Vorbereitungsaufgaben Wie sind Rauschzahl und Rauschtemperatur definiert?

5 HFT-Praktikum Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers (SoSe 2014) BB/5 Wie ergibt sich die Rauschzahl für beliebig viele hintereinandergeschaltete Vierpole? Machen Sie sich mit der 3-dB-Methode zur Messung der Rauschzahl vertraut (siehe [2]). Wie kann diese Methode auch ohne 3-dB-Dämpfungsglied durchgeführt werden? 5.2. Praktischer Teil Verbinden Sie den Ausgang des Verstärker mit dem Spektrumanalysator, wobei an den Eingang des Verstärkers ein offenes, langes Koaxialkabel angeschlossen wird. Bestimmen Sie das Leistungsspektrum im Bereich von 80 bis 120 MHz. Welche Frequenzen sind für eine Messung der Rauschzahl des Verstärkers ungeeignet. Geben Sie die Ursache an. Die Messung der Rauschzahl soll bei 110 MHz mit dem selektiven Voltmeter und dem Vorverstärker nach der 3-dB-Methode erfolgen. Gemessen wird die Gesamtrauschzahl des BFR91A- Verstärkers, des HP-Vorverstärkers und des Voltmeters. Um die Rauschzahl des BFR91A-Verstärkers ermitteln zu können, muss die Reihenfolge von BFR91A-Verstärker und HP-Vorverstärker variiert werden. Berechnen Sie die Rauschzahl und die Rauschtemperatur des BFR91A-Verstärkers! Literatur [1] Prof. K. Petermann, Skript zur Vorlesung Hochfrequenztechnik I+II [2] F. Landstorfer, H. Graf: Rauschprobleme der Nachrichtentechnik, R. Oldenbourg Verlag, 1981 A. S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle Die S-Parameter einer gesteuerten Stromquelle sind in der Datei stromquelle.s2p wie folgt nach Betrag S ij und Phase φ abgelegt (Steilheit 1/r e ). Hierbei wurde ein Leitungswellenwiderstand von 50 Ω und eine Steilheit von 1/r e = 1.2S angenommen. Z L U 1 U 2 1 r e U 1 Z L S ij φ S S 21 2Z L /r e 180 S S