Analisi ai Grandi Segnali

Un a vo lta po rtata a termin e la caratterizzazione lin eare del d isp ositivo , si p ro vv ed e al calco lo d ella IP3 , cio è d el pun to di intercetta d el terzo o rd in e. A tal fin e è n ecessario provv edere

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 148 all’analisi ai g rand i segn ali attrav erso un a simu lazion e non lin eare.

Lo sco po è d i mettere in evid en za il mig lio ramen to di din amica d el d ispositivo b ilan ciato rispetto all’a mp lificatore a singo lo stadio .

In Tab ella 2 , v eng ono rip ortati i valori d i OIP3 in co rrisp ond en za d i 53 5 MHZ e p er co mp letezza, an ch e di 4 08 MHz, co n un segn ale d i ing resso d i p oten za p ari a -20d Bm e il seco ndo ton o a 1 MHz.

T a b e l l a 2

Dai v alo ri rip o rtati n elle tab elle si o sserv a ch e l’in tro du zio ne d ella con figu razio ne bilanciata p rod uce un mig lio ramen to di circa 3 dBm n ella din amica.

6 .3 AMPLIFICATORE BILANCIATO CON BANDA DI

2 50 MHz

In q u esto p arag rafo v ien e p resen tato il p rog etto d i massima d i u n a mp lificato re b ilan ciato co n u na larg hezza d i b an d a di 25 0MHz. Qu esto p rog etto h a co me u n ico scopo qu ello d i d are un a ind icazion e sulla po ssibile estension e a la rga b anda

d ell’amp lificato re b ilan ciato , p resen tato n ei parag rafi p reced enti. Nel seguito si farann o consid erazion i relativ e alla n oise figu re, al g uad agn o e all’adattamen to .

Per qu anto rigu ard a le no n id ealità d eg li sp litter e gli effetti d ella struttu ra bilan ciata sull’IP3 , non v errann o effettu ate simu lazioni in q u anto si p resu me ch e le co nsid erazion i fatte n ei p arag rafi p reced enti siano an co ra valide.

A causa d el p roblema d ello shift in frequ en za delle simu lazio ni, le ottimizzazion i sono state fatte d a 380 MHz a 630MHz. Qu esta b an d a h a la stessa co rrispon denza, risp etto a 53 0MHz, d ella b an d a 25 0 -50 0MHz risp etto i 4 08MHz.

Frequ en za [MHz] 4 08 5 35 OIP3 a singo lo stad io [d Bm] +32 .04 6 +31 .98

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 149 6.3.1 Individuazione dell’Architettura delle Reti di Adattamento e Polarizzazione dell’Amplificatore a Singolo Stadio

L’arch itettu ra scelta p er le reti di ad attamen to e d i po larizzazione d el dispo sitiv o a sing olo stad io è la stessa d el prog etto d ell’LNA, illustrato n el Parag rafo 3 .5 . So no q uin di p resen ti an ch e l’ind uttanza serie e la cap acità p arallelo su lla rete di ing resso , ch e erano state elimin ate n el p ro getto a 20 MHz. Si è in fatti v erificato che la p resen za di tali elemen ti aiu ta l’allarg amen to d ella b an d a.

Il circuito u tilizzato è mo strato in Fig .6 .27 .

Tali co mp o n enti so no ind icati in figu ra co me L2 e C1 .

La cap acità C1 , in p artico lare, è u tile an ch e p er g aran tire una mag g io re stabilità.

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 150 6 .3 .2 Ottimizzazione dei Va lo ri dei Co mpo nenti Circuitali delle Ma tching Netw o rk

An ch e in qu esto caso , p er q uanto rig uarda i co mp o n en ti circuitali, si so no p resi co me riferimen to i valori ch e eran o stati utilizzati n el p ro getto o rigin ario .

Il v alo re d ei co mp on en ti d elle reti d i ad attamen to d i in g resso e di u scita d ev ono po i essere mo d ificati in mo d o d a so ddisfare le sp ecifich e d i p rogetto all’in terno della b an da di in teresse.

I co mp o nenti i cu i v alo ri so no resi attivi p er l’o ttimizzazio ne sono L1 , L2 , L3 , L4 e C1 , C2 , C3 , C4 e C5 .

In q u esto caso , tra gli “Op timizer Go als”, n on è più su fficiente inserire so lo le sp ecifich e rigu ardan ti gu ad agno e n oise figu re. In fatti, p er p rog ettare u n circu ito ch e fun zioni a band a larg a, è n ecessario aggiun gere un a cond izion e sulla Gain Flatn ess (la d ifferen za tra v alo re massimo e minimo d i gu adagno all’in terno d ella b an d a di funzion amen to ).

Un a co nd izion e d el p rog etto è qu ella di p resentare un a Gain Flatn ess la p iù p iccola possib ile. Co me riferimen to si è p reso un v alo re di 1d B.

Pro ced end o in mo d o an alogo al p ro getto a “b and a stretta”, n ell’o ttimizzazion e, si è p artiti da v alo ri piu ttosto alti di n oise figu re e piuttosto b assi di g uad ag no , per avv icin arsi p oi p rog ressiv amen te al risu ltato d esid erato .

I v alo ri limiti oltre i qu ali l’ottimizzazio n e n on h a p iù dato risultati so ddisfacen ti son o stati:

• NF=0 .35d B

• S2 1=19 d B

In realtà, il gu ad ag no p resen ta un a p iattezza in band a d i circa 2 dB. Attrav erso simu lazioni successive si è d imo strato ch e, con q uesto tip o d i arch itettu ra, tale risultato è il mig lio re ottenib ile. Si pu ò qu ind i co nclud ere che la stru ttura p rop osta no n è in g rado d i garan tire la piattezza in b and a imp o stata co me sp ecifica di p rog etto .

Con riferimen to ai co mp o nenti co mmerciali, i valori risultati d all’o ttimizzazion e son o:

• L1 =490 n H

CAPITOLO6 ___________________________________________________________________________ 151 • L3 =33n H • L4 =47n H • C1 =3 p F • C2 =1 0p F • C3 =2 20p F • C4 =2 20p F • C5 =3 3p F

Il circuito co mp lessivo d iv en ta qu in di qu ello mo strato in Fig .6 .28 . 6 .3 .3 Verifica del Punto di Lav oro

In qu esto p ro getto n on son o stati mo d ificati i v alo ri iniziali d elle resisten ze. Per q uesto mo tivo è presu mib ile che il pun to di lavo ro sia rimasto inv ariato . Dato che, co mu n qu e, si son o camb iati i v alo ri d egli elemen ti circu itali d elle match in g n etwo rk , si p referisce fare una v erifica.

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 152 Dalle simu lazion i ai g rand i seg nali, v ien e con fermato u n pu nto di lavo ro di 3 V e 6 0mA.

6 .3 .4Presenta zio ne dei Risulta ti Ottenuti

In Fig .6 .29 v eng ono mo strati i risultati della simulazione d ell’ad attamen to d i in g resso e d i u scita d el circuito a sing olo stadio .

In Fig .6 .30 v engo no mo strati i risu ltati d ella simulazion e del g uad agn o e d ella n oise figu re del circu ito a sing olo stadio .

Co me si v ed e, il gu ad ag no v a d a 18 .5d B p er le frequ en ze più b asse a 16 .44d B p er q uelle p iù alte. La n oise figu re inv ece v a da 0 .35 dB a 0 .3 13d B.

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Figura 6.30

6 .3 .5Studio della Stabilità

Lo stu dio d ella stabilità è stato fatto utilizzand o il fattore di stabilità K, g ià in dicato n el Parag rafo 6 .2 .5 . In Fig .6 .3 1 è mo strato l’an d amen to di tale parametro . Si v ede chiaramen te ch e il dispo sitiv o , n elle frequ en ze di interesse, p resenta u n K>1 e un B1 >0 .

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Figura 6.31

6.3.6Simulazioni con i File di Parametri S

Un a vo lta p ortate a termin e le simu lazion i con l’u so d ei mo d elli d ei co mp o nenti reali, esse d evon o essere rifatte u tilizzando i file d i p arametri S.

Come già detto, prima di procedere alla sostituzione, è bene individuare, per ogni elemento, il codice del componente corrispondente, in modo da facilitare la ricerca nelle librerie.

Per le induttanze e le capacità si ha:

• C1: ATC 100B3R0JW • C2: ATC 100B100JW • C3: ATC 100B221JW • C4: ATC 100B221JW • C5: ATC 100B330JW • L1: MAXI SPRING 132-19SMJ • L2: MIDI SPRING 1812SMS-22NJ • L3: MIDI SPRING 1812SMS-33NJ • L4: 0805CS-270XJB •

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___________________________________________________________________________ 155 Il circuito con i file di parametri S è mostrato in Fig.6.32.

Figura 6.32

In Fig.6.33 e 6.34, viene mostrato il confronto tra i risultati delle simulazioni ottenute con i file di parametri S e quelle ottenute con i modelli commerciali.

Anche in questo caso si nota come l’introduzione dei files di parametri S produca cambiamenti su tutte le grandezze in gioco. In particolare si presenta anche in questo caso un andamento della NF piuttosto “riplettoso”.

CAPITOLO6 ___________________________________________________________________________ 156 Figura 6.33 Figura 6.34

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 157 6 .3 .6Co nfig ura zio ne Bila ncia ta con Splitter co n Insertion Lo ss

diversa da zero

A q u esto pun to si p ro ced e imp lemen tando la co n fig urazion e b ilan ciata, v isibile in Fig .6 .3 5 . Come è g ià stato an ticipato n el Parag rafo 3 .6 .5 , p er q uesto p rog etto so no stati scelti g li splitter d ella MiTeq , i quali h an no u n a in sertion loss d i 0 .25 dB.

Figura 6.35

In Fig.6.36 sono riportati i valori di Guadagno e noise figure. L’insertion loss di 0.25dB, come ci si aspettava, fa aumentare di circa lo stesso valore la noise figure, mentre produce solo un leggero peggioramento sul guadagno.

Ripetend o le simu lazion i facen do u so d el mo d ello p er amp litu de u nb alan ce e ph ase u nb alan ce, si v erifica che la no se fig u re a 5 30 MHz è p ari a circa 0 .7d B.

CAPITOLO6

___________________________________________________________________________ 158

Figura 6.36

Per concludere, il progetto a banda larga si trova quindi di fronte a diversi problemi quali l’aumento della noise figure e la Flatness in banda del guadagno.

Il primo problema può essere risolto con l’ausilio di splitter a 90° più costosi e con migliori performance, anche se non si possono comunque ottenere dei valori bassi come nel caso del progetto a banda stretta.

Il problema del Flatness in banda, invece, può essere risolto attraverso l’introduzione di un secondo stadio nelle due vie dell’amplificatore bilanciato o, più semplicemente, introducendo uno stadio equalizzatore all’uscita dell’amplificatore stesso.

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