1 Grundsätzliches 2 Grundprinzip - TU Berlin
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HFT-Praktikum I Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers BB/1<br />
1 Grundsätzliches<br />
Ziel des Versuchs ist der Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers für den Frequenzbereich von 50 MHz<br />
bis 500 MHz, der eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω angepasst sein soll. Die S-Parameter des Verstärkers<br />
sollen gemessen und die Rauschzahl und -temperatur bestimmt werden. Der Versuch erstreckt<br />
sich über drei Termine. Während der ersten beiden Termine werden vorbereitende Berechnungen und<br />
Messungen durchgeführt. Bei den weiteren Terminen ist dann der Verstärker freitragend auf einer<br />
Kupfer-kaschierten Platine aufzubauen, so dass die S-Parameter und die Rauschzahl gemessen werden<br />
können. Zu jedem Termin sind die jeweiligen Vorbereitungsaufgaben von jedem Laborteilnehmer<br />
schriftlich zu lösen. Diese sind zu Beginn des Termins bei der Betreuerin abzugeben und teilweise<br />
vor der Gruppe zu präsentieren bzw. vorzurechnen. Nach den vier Terminen ist zur abschließenden<br />
Rücksprache ein Protokoll anzufertigen, welches den Umfang von 20 Seiten nicht übersteigen sollte.<br />
Für eine erfolgreiche Durchführung des Versuchs ist die Kenntnis der entsprechenden Kapitel der<br />
angegebenen Literatur Voraussetzung.<br />
2 <strong>Grundprinzip</strong><br />
Der Verstärker soll eingangs- und ausgangsseitig an 50 Ω betrieben werden. Die Leistungsverstärkung<br />
erfordert daher eine Verstärkung von Strom und Spannung. Ohne Impedanztransformation ist dies<br />
nur mit einer Emitterschaltung wie zum Beispiel in Abbildung 1 möglich. Als aktives Element soll der<br />
npn-Silizium-Transistor BFR91 verwendet werden (siehe beigefügtes Datenblatt).<br />
✉<br />
E<br />
☞<br />
✌<br />
R 2<br />
✉<br />
R 1 ✉<br />
✎<br />
✍<br />
A<br />
✉ ❅ ❅❘<br />
BFR91 C 2<br />
Bild 1: Schaltbild des einstufigen Verstärkers<br />
2.1 Kleinsignal-HF-Ersatzschaltbild<br />
Um die HF-Eigenschaften des Transistors charakterisieren zu können, wird das aus der Vorlesung<br />
bekannte Giacoletto-Ersatzschaltbild verwendet [1]. In Abbildung 2 wurden zusätzlich zum vereinfachten<br />
Giacoletto-Ersatzschaltbild an Basis und Kollektor noch Zuleitungsinduktivitäten eingefügt, da<br />
anderenfalls kein induktives Verhalten für den Streuparameter S 11 zu erklären ist (vgl. Datenblatt).<br />
<strong>TU</strong> <strong>Berlin</strong> – FG Hochfrequenztechnik
HFT-Praktikum I Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers BB/2<br />
c 12e c csp<br />
B<br />
C<br />
❡<br />
✉ ✉ ✉ ✉<br />
❡<br />
L r b U ✎☞<br />
b<br />
L<br />
′ e<br />
r e ′<br />
❄ c e ′<br />
✍✌1<br />
❄ r e<br />
U b ′ e<br />
❡ ✉ E ✉ ✉ ❡<br />
Bild 2: Vereinfachtes Giacoletto-Ersatzschaltbild eines bipolaren Transistors mit Zuleitungsinduktivitäten<br />
3 Termin 1<br />
3.1 Vorbereitungsaufgaben<br />
3.1.1 Gleichstrom-Arbeitspunkt<br />
• Welche Versorgungsspannung U Bat ist laut Datenblatt maximal zulässig, ohne den Transistor zu<br />
gefährden? Wählen Sie eine um 3 Volt niedrigere Versorgungsspannung U Bat !<br />
• Durch welche zwei Mechanismen wird die Wechselspannungsauslenkung am Kollektor begrenzt,<br />
bzw. wann treten starke Verzerrungen auf? Wie muss also die Gleichspannung am Kollektor<br />
gewählt werden, um maximale Auslenkungen zu ermöglichen?<br />
• Der Emittergleichstrom wird durch die maximale Verlustleistung begrenzt. Welcher maximale<br />
Strom wäre hier zulässig?<br />
• Bestimmen Sie die Widerstände R 1 und R 2 für I E = 30 mA! Setzen Sie hierfür eine Gleichstromverstärkung<br />
von 50 an.<br />
3.1.2 Bestimmung der Streuparameter des Transistors<br />
Mit Hilfe des Giacoletto-Ersatzschaltbildes lassen sich auch die S-Parameter des Transistors bestimmen.<br />
Im Folgenden ist S 11 unter der Annahme zu bestimmen, dass c 12e = c csp = 0 gilt. Bestimmen<br />
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<br />
für eine Zuleitungsinduktivität von L = 1.5 nH den Basisbahnwiderstand r b für möglichst gute Übereinstimmung<br />
mit den Werten aus dem Datenblatt. Vergleichen Sie die berechneten Werte mit denen<br />
aus dem Datenblatt in einem Smith-Diagramm. Erläutern Sie anhand des Smith-Diagrammes, warum<br />
zusätzlich zum normalen Giacoletto-Ersatzschaltbild die Zuleitungsinduktivität gebraucht wird.<br />
3.1.3 Die Koppelkondensatoren<br />
Die Kapazitäten C 1 , C 2 und C 3 sind idealerweise unendlich groß. Mit der Kapazität eines Kondensators<br />
wächst leider im allgemeinen die parasitäre Induktivität, so dass der Blindwiderstand für hohe Frequenzen<br />
sehr groß wird. Skizzieren Sie den erwarteten Frequenzverlauf von S 11 eines Serienschwingkreises<br />
<strong>TU</strong> <strong>Berlin</strong> – FG Hochfrequenztechnik
HFT-Praktikum I Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers BB/3<br />
in einem Smith-Diagramm. Bestimmen Sie den Frequenzverlauf von |S 21 | für mindestens 6 Kombinationen<br />
von L = 5 . . . 50 nH und C = 1 . . . 100 pF für einen Bereich von 1 MHz bis 2 GHz und geben<br />
Sie die jeweilige Resonanzfrequenz an.<br />
3.2 Praktischer Teil<br />
Im praktischen Teil erhalten Sie zunächst eine Einführung in das Programm „Ansoft Designer“, sofern<br />
keine Vorkenntnisse aus der Rechenübung zu Hochfrequenztechnik I vorliegen. „Ansoft Designer“ dient<br />
der Bestimmung von S-Parametern sowie dem Design von Mikrowellenschaltungen. Im Rahmen dieses<br />
Labors wird nur die erstgenannte Anwendung genutzt. Folgende Punkte sind im Rahmen dieses Termins<br />
zu bearbeiten:<br />
• Machen Sie sich mit den grundlegenden Befehlen der Menüführung vertraut.<br />
• Entwerfen Sie eine LC-Reihenschaltung und bestimmen Sie S 11 und |S 21 | entsprechend der<br />
dritten Vorbereitungsaufgabe.<br />
• Entwerfen Sie eine Schaltung entsprechend dem Giacoletto-Ersatzschaltbild mit r b = 45 Ω,<br />
c 12e = 0.65 pF und c csp = 0.1 pF. Verwenden Sie hierbei die bereits vorgegebene gesteuerte<br />
Stromquelle aus der Datei stromquelle.s2p.<br />
4 Termin 2<br />
4.1 Vorbereitungsaufgaben<br />
• Leiten Sie die in Anhang B angegebenen S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle analytisch<br />
her.<br />
• Bestimmen Sie mit Hilfe des Programmes „Ansoft Designer“ die Streuparameter des Transistors.<br />
Vergleichen Sie sie mit den Werten im Datenblatt sowie mit dem analytisch bestimmten S 11 .<br />
Zeichnen Sie dazu S 11 und S 22 in ein Smith-Diagramm. Die Ortskurven von S 12 und S 21 sind<br />
in ein Diagramm für Polarkoordinaten zu zeichnen.<br />
• Versuchen Sie durch sinnvolle Modifikation der Parameter bzw. weitere parasitäre Komponenten<br />
die Übereinstimmung zwischen Simulation und Datenblatt zu verbessern.<br />
4.2 Praktischer Teil: Leitungsinduktivitäten<br />
• Machen Sie sich mit dem Netzwerkanalysator genauer vertraut.<br />
• Zunächst soll die parasitäre Induktivität der Anschlussdrähte untersucht werden. Dazu wird ein<br />
Koppelkondensator viermal hintereinander mit jeweils verschiedenen Längen der Anschlussdrähte<br />
zwischen die BNC-Buchsen der Platine gelötet. Mit dem Netzwerkanalysator lassen sich nun die<br />
Streuparameter der LC-Reihenschaltung bestimmen. Die Induktivität lässt sich ungefähr mit der<br />
aufgedruckten Kapazität aus der Resonanzfrequenz bestimmen. Zeichnen Sie die Induktivität<br />
über der Länge auf und formulieren Sie daraus eine Merkregel Induktivität pro Länge in nH/mm!<br />
<strong>TU</strong> <strong>Berlin</strong> – FG Hochfrequenztechnik
HFT-Praktikum I Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers BB/4<br />
Beachten Sie diese Merkregel beim Aufbau des Verstärkers und schätzen Sie den Einfluss der<br />
Induktivitäten bei f = 1 GHz ab!<br />
• Analog zu den Vorbereitungsaufgaben ist der nutzbare Frequenzbereich verschiedener Kondensatoren,<br />
d.h. Kapazitäten und Induktivitäten entsprechend der Anschlussdrähte, zu bestimmen.<br />
Dazu werden die Kondensatoren wiederum in Transmission zwischen die beiden BNC-Buchsen<br />
gelötet. Für den Verstärker sollte der nutzbare Frequenzbereich (Abfall von |S 21 | um 3 dB) mindestens<br />
von 50 MHz bis 500 MHz reichen entsprechend einer geringen Güte Q des resultierenden<br />
Schwingkreises. Nimmt man als einzige ohmsche Elemente die beiden Leitungswellenwiderstände<br />
mit 50 Ω an, so ergibt sich die Güte des Schwingkreises zu Q = ω 0 L/100 Ω mit ω0 2 = 1/LC.<br />
Wählen Sie nach den Messungen einen geeigneten Kondensator aus!<br />
4.3 Praktischer Teil: Messung der Streuparameter<br />
Die Verstärkerschaltung aus Abbildung 1 ist freitragend auf der Kupfer-kaschierten Platine aufzubauen.<br />
Berücksichtigen Sie hierbei den Einfluss der Zuleitungsinduktivitäten! Erläutern Sie die Funktion der<br />
Kapazität C 3 (C 3 ≈ 1 nF). Die S-Parameter des Verstärkers sollen nun zwischen 4 MHz und 1.3 GHz<br />
gemessen und skizziert werden (Transmission nur als Betrag, Reflexion im Smithdiagramm). Da der<br />
Netzwerkanalysator je nach Modell eventuell nur in eine Richtung messen kann, müssen in diesem Fall<br />
Ein- und Ausgang des Verstärkers vertauscht werden, um S 12 und S 22 messen zu können. Wie groß<br />
ist der Gewinn bei 110 MHz?<br />
Vergleichen Sie die gemessenen S-Parameter mit den vorher berechneten und denen aus dem Datenblatt.<br />
Wie lassen sich eventuelle Abweichungen erklären?<br />
5 Termin 3<br />
5.1 Vorbereitungsaufgaben<br />
• Wie sind Rauschzahl und Rauschtemperatur definiert?<br />
• Wie ergibt sich die Rauschzahl für beliebig viele hintereinandergeschaltete Vierpole?<br />
• Machen Sie sich mit der 3-dB-Methode zur Messung der Rauschzahl vertraut (siehe [2]). Wie<br />
kann diese Methode auch ohne 3-dB-Dämpfungsglied durchgeführt werden?<br />
5.2 Praktischer Teil<br />
• Schließen Sie den Ausgang des Verstärker an das selektive Voltmeter an, wobei der Eingang des<br />
Verstärkers offen bleibt. Messen Sie den Signalpegel im Frequenzbereich von 80 bis 120 MHz.<br />
Welche Frequenzen sind für eine Messung der Rauschzahl des Verstärkers ungeeignet?<br />
• Die Messung der Rauschzahl soll bei 110 MHz mit dem selektiven Voltmeter und dem Vorverstärker<br />
nach der 3-dB-Methode erfolgen. Gemessen wird die Gesamtrauschzahl des BFR91-<br />
Verstärkers, des HP-Vorverstärkers und des Voltmeters. Um die Rauschzahl des BFR91-Verstärkers<br />
<strong>TU</strong> <strong>Berlin</strong> – FG Hochfrequenztechnik
HFT-Praktikum I Aufbau eines HF-Breitbandverstärkers BB/5<br />
zu ermitteln zu können, muss die Reihenfolge von BFR91-Verstärker und HP-Vorverstärker variiert<br />
werden.<br />
Berechnen Sie Rauschzahl und Rauschtemperatur des BFR91-Verstärkers!<br />
Literatur<br />
[1] Prof. K. Petermann, Arbeitsblätter zur Vorlesung Hochfrequenztechnik I+II<br />
[2] F. Landstorfer, H. Graf: Rauschprobleme der Nachrichtentechnik, R. Oldenbourg Verlag, 1981<br />
A Arbeitsmittel<br />
• Zur Simulation: IBM-kompatibler PC, Software „Ansoft Designer“<br />
• Zur Labordurchführung: Netzwerkanalysator, Rauschgenerator, Vorverstärker, Selektives Voltmeter,<br />
Oszilloskop, Netzgerät, Lötkolben, Kupfer-kaschierte Platine mit zwei BNC-Buchsen<br />
B S-Parameter für eine gesteuerte Stromquelle<br />
Die S-Parameter einer gesteuerten Stromquelle sind in der Datei stromquelle.s2p wie folgt nach<br />
Betrag |S ij | und Phase φ abgelegt (Steilheit 1/r e ). Hierbei wurde ein Leitungswellenwiderstand von<br />
50 Ω und eine Steilheit von 1/r e = 1.2S angenommen.<br />
Z L<br />
❜<br />
❜<br />
✎☞<br />
U 1<br />
❄ U<br />
✍✌ 2<br />
1 ❄ r e<br />
U 1 ❄<br />
❜ ❜<br />
Z L<br />
|S ij | φ<br />
S 11 1 0<br />
S 21 2Z L /r e 180<br />
S 12 0 0<br />
S 22 1 0<br />
<strong>TU</strong> <strong>Berlin</strong> – FG Hochfrequenztechnik