Miron Iancu YO3ITI

Introducere

Acest articol continuă seria dedicată proiectării, simulării și optimizării unui amplificator de zgomot redus. Celelalte articole din serie:

• Primul articol a fost publicat la data de 2 aprilie 2020 și poate fi accesat la adresa https://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=1250.
• Al doilea articol a fost publicat la data de 4 aprilie 2020 și poate fi accesat la adresa https://www.radioamator.ro/articole/view.php?id=1251.

Recapitulare și discuții

Voi reaminti câteva dintre concluzii. În articolul anterior am prezentat o metodă simplă de simulare a impedanței de ieșire a unui circuit în LTSpice¹. Primul pas în obținerea adaptării impedanței de ieșire a a LNA-ului a fost determinarea impedanței de ieșire a repetorului de curent. Am utilizat în LTSpice următorul circuit și am calculat impedanța introducând direct în grafic o relație care definește impedanța ca raportul dintre tensiunea la bornele sarcinii și curentul care trece prin ea:

Figura 1 — Schema circuitului pentru simularea impedanței de ieșire.

Figura 2 — Valorile calculate ale magnitudinii și fazei la ieșirea etajului repetor de curent, la frecvența de 144,2MHz. Simulare LTSpice.

Impedanța de ieșire la 144,2 MHz este reprezentată în notație polară, în forma \(Z\angle\theta\) unde \(Z=393,29\Omega\) iar \(\theta=93,172^{\circ}\), ca atare valoarea ei va fi \(393,29 \angle 93,172\). Trebuie notat că această valoare nu reprezintă valoarea minimă a impedanței de ieșire ci doar valoarea ei la frecvența de 144,2MHz (frecvența de interes). Rezultatele simulării impedanței de ieșire a etajului repetor de curent (figura 2) au fost calculate de LTSpice folosind formula \(V_{Ztest}/I_{Zmeter}\) introdusă direct în grafic (figura 3); graficul reprezintă funcția de transfer simulată de aplicație, pe intervalul considerat (120-160 MHz). Frecvență de rezonanță este diferită, ceea ce va necesita ajustarea valorilor componentelor din simulare.

Figura 3 — Funcția de transfer magnitudine-fază la ieșirea circuitului din figura 1. Se observă că polul de rezonanță apare nu la 144,2 ci la 141,8MHz. Acest comportament va necesita ajustarea valorilor componentelor.

Figura 4 — Valorile calculate ale magnitudinii și fazei la ieșirea etajului repetor de curent, la frecvența de 144,2MHz și la rezonanță (141,8MHz). Simulare LTSpice.

Simularea transferului de energie la intrare

Pentru circuitul de adaptare de la intrare, simularea determină valoarea frecvenței de rezonanță, la care impedanța de intrare este minimă (și are loc transferul maxim de de energie din antenă în etajul de transconductanță):

Figura 5 — Variația impedanței de intrare cu frecvența; impedanța de intrare este minimă la frecvența de rezonanță de 141,8MHz. Simulare LTSpice.

Figura 6 — Valorile calculate ale magnitudinii și fazei la ieșirea circuitului de adaptare de la intrare; impedanța de intrare este minimă la frecvența de rezonanță de 141,8MHz. Simulare LTSpice.

Transferul de energie este maxim la impedanța de intrare minimă, respectiv la o frecvență de aproximativ 141,8 MHz, unde simularea decelează rezonanță (figurile 3, 4, 5, 6). Rămâne de văzut dacă optimizarea valorilor componentelor din circuitul de adaptare de la intrare va avea vreun efect și asupra circuitului de adaptare de la ieșire.

Optimizare

LTSpice nu este o aplicație de optimizare ci doar de simulare. Nu putem determina direct valoarea unor componente pentru a optimiza comportamentul circuitelor. Acest lucru se poate realiza doar indirect prin încercări succesive.

Metoda încercărilor succesive

SPICE permite alocarea dinamică a valorilor unor componente din circuitele analizate ceea ce oferă posibilitatea de a simula comportamentului unui circuit cu diverse combinații de valori ale componentelor într-o singură execuție. Instrucțiunea .step permite executarea succesivă a mai multor simulări la diverse valori ale unui parametru declarat prin sintaxa {parametru}, unde parametrul luat în execuție trebuie obligatoriu scris între acolade. Detaliile de implementare și utilizare a acestor comenzi nu fac obiectul acestui articol, dar pot fi aprofundate în materialele furnizate în secțiunea de bibliografie.[1], [2], [3].

Într-un articol ulterior vom utiliza o altă instrucțiune utilă, .meas care permite măsurători mai sofisticate, eventual combinate cu funcții personalizate. Această metodă de optimizare depășește cadrul acestui articol.

Circuitul de adaptare a impedanței de intrare trebuie modificat în sensul ajustării valorilor componentelor pentru obținerea unui minim de impedanță la 144,2 MHz și nu la 141,8 MHz. Deoarece în practică este mai simplu de ajustat valoarea unui capacitor (îl înlocuim cu un trimmer) decât a unei inductanțe², mă voi concentra exclusiv pe valoarea lui C3. Iată cum arată circuitul modificat pentru simulare parametrică:

Figura 7 — Modificarea circuitului din figura 1 cu parametrizarea valorii capacitorului C3 prin schimbarea valorii sale în {Cin}

Rularea simulării cu valoarea lui C3 parametrizată și instrucțiunea SPICE .step param Cin 9p 10p 0p1, oferă rezultatele de mai jos, cu o valoare optimă a lui C3 de aproximativ 9,65 pF:

Figura 8 — Funcțiile de transfer la mai multe valori ale lui C3. Simulare LTSpice cu instrucțiunea .step param Cin 9p 10p 0p1 care variază valoarea lui C3 de la 9pF la 10pF în pași de 0,1pF (zece pași).

Figura 9 — Variația impedanței de intrare cu frecvența și valorile minime (transfer maxim de putere) în funcție de mai multe valori ale lui C3. Simulare LTSpice cu instrucțiunea .step param Cin 9p 10p 0p1 care variază valoarea lui C3 de la 9pF (dreapta, cu verde deschis) la 10pF (stânga, cu roșu închis) în pași de 0,1pF (zece pași). Se observă că, la 144,2 MHz, valoarea minimă a impedanței de 552,77 \(m\Omega\) se obține pentru o valoare C3 cuprinsă între 9,6 și 9,7 pF.

Circuitul modificat este dat în figura 10:

Figura 10 — Circuitul modificat cu valoarea lui C3 9,65pF determinată din simulare.

Figura 11 — Funcția de transfer cu circuitul modificat cu valoarea lui C3 9,65pF determinată din simulare.

Figura 12 — Impedanța de intrare adaptată, după modificarea circuitului, prin schimbarea valoarii lui C3 la 9,65pF.

Concluzii

La finalul acestui articol lui am obținut valorile optimizate (prin simulare) pentru componentele etajului de adaptare a impedanței de intrare la frecvența de 144,2 MHz. În următorul articol vom verifica, tot prin simulare, dacă polarizarea JFET-ului este corectă analizând admitanța și comparând-o cu datele de catalog.

73 de YO3ITI

Partea a I-a Partea a II-a

Note

¹ O metodă mai complexă este analiza parametrilor S, care va fi prezentată în următorul articol.

² În plus, modificarea valorii inductanței L1 are consecințe duble în circuit: se modifică atât reactanța cât și factorul de calitate Q. Ambele au impact asupra rezultatelor simulării. Vom discuta despre asta într-un alt articol.

Bibliografie

[1] D. S. Anghel, „Simulatorul SPICE,” Octombrie 2012. [Interactiv].

[2] Parametric plot (plot measurements in relation to a swept parameter) [Interactiv]. Available: http://ltwiki.org/index.php?title=Parametric_plot_(plot_measurements_in_relation_to_a_swept_parameter). [Accesat 16 Mai 2020].

[3] LTspice: Using .MEAS and .STEP Commands to Calculate Efficiency [Interactiv]. Available: https://www.analog.com/en/technical-articles/ltspice-using-meas-and-step-commands-to-calculate-efficiency.html. [Accesat 16 Mai 2020].

Miron Iancu YO3ITI

Articol aparut la 20-5-2020

2735