AMPLIFICATEUR LARGE BANDE avec CF739 Sujet :. Conception d un amplificateur à constantes distribuées utilisant des micro rubans et le transistor tétrode CF739. But : concevoir un amplificateur à faible bruit avec un gain de 15 db ayant une bande passante de 2 GHz et un puissance de sortie de 15dBm. 30mW. Introduction : Un amplificateur ayant simultanément une bande passante élevée, un faible facteur de bruit et une puissance de sortie respectable est assez peu courant. Je propose donc un amplificateur réunissant ces quatre caractéristiques simultanément. La solution retenue est l usage de l amplificateur à constante distribuée. Depuis les années 50 cette méthode a été utilisée à de nombreuses reprises par la firme TEKTRONIX, cette méthode était utilisée dans les amplificateurs verticaux des oscilloscopes de la marque. Le principe utilisé consistait à construire une ligne de transmission autour des capacités parasites des tubes électroniques (penthode) pour construire un amplificateur à grande bande passante, de cette manière,les capacités parasites des tubes n étaient plus la limite d utilisation, mais bien au contraire un élément actif de l amplificateur. Conception : Dans la théorie des lignes de transmission, nous trouvons la formule de l impédance caractéristique d une ligne de transmission : Zo = L / C (1) L impédance d entrée de l amplificateur est 50Ω Le transistor qui est l élément actif possède une capacité d entrée de l ordre de 1 pf On peut donc calculer la valeur de l inductance correspondante. 2 L = Zo xc (2) Dans notre cas 2500x10 + 12 = 2,5x10 9 autrement dit 2.5nH La ligne de transmission ainsi créée sera donc composée des éléments suivants : Une ligne de transmission composée de self de 2.5 nh associée à un condensateur de 1pF (capacité grille source du transistor). 2.5 nh 2.5nH 2.5nH 1pF
Calcul du micro ruban L étape suivante consiste à calculer le micro ruban qui représente une self de 2.5nH La formule permettant de calculer la Longueur électrique d un micro ruban est la suivante : Fréquence induc tan ce Longueur = (3) Zo Dans notre cas la fréquence maximale utilisable du transistor est de 3 GHz.(voir annexe) et l impédance du micro ruban est de 120 Ω. Αfin de simuler au mieux une inductance on choisit l impédance la plus haute physiquement réalisable sur le support G10 i.e. 0,33mm ou 120 Ω la longueur électrique vaut donc 3x10 9 x2.5x10-9 /120Ω = 0.0625 de la longueur d onde qui représente 360, 0.0625x360= 22.5 on obtient donc 22.5 Le Micro ruban aura donc une valeur de 120Ω d impédance caractéristique et 22.5 de longueur électrique. Sur du FR4 de 1.5mm d épaisseur la largeur de piste vaut 0.33mm et longueur de 3.5mm!
Schéma théorique d un ampli à constantes réparties Combien d étages sont nécessaires? réponse = avec 8 étages le gain vaut 16 autrement dit 12 db. Gain linéaire = (8*20*10-3*50)² /4 = 16 En db =10 log 16= 12dB Dans lequel : N est le nombre d étage = 8 Gm est la pente ou transconductance d un seul transistor exprimé en A/V = 20*10-3 A/V Zo est l impédance caractéristique de l entrée ou sortie ici 50 ohms Ceci posé, si on utilise les même composants (le même Micro ruban) la valeur du condensateur drain source est plus faible (0,5pF) que le condensateur Grille source. L ajout d un condensateur de 0,5pF est donc nécessaire pour obtenir le même temps de propagation dans les deux lignes de transmission.
Simulation de la conception d une ligne de transmission avec le programme PUFF Afin de vérifier la théorie, j utilise le logiciel PUFF pour simuler une ligne de transmission ainsi formée. De cette façon je disposerai des informations pour construire mon amplificateur avec le CF739. Simulation de ligne d entrée de 10MHz à 3000MHz. La même ligne avec une capacité de.5pf
De ces deux simulations on peut retenir ceci: La première simulation donne une adaptation d impédance de -12dB au minimum. Tandis que la deuxième simulation est bien sûr plus favorable,car la capacité drain source est de.5pf Cependant nous devons avoir deux lignes identiques, on doit donc ajouter une capacité de 0,5pF sur la ligne raccordée au drain. La simulation indique que l'approximation d'une ligne caractéristique de 50 Ohms au départ d'un micro ruban fonctionne jusqu'à 3GHz. Comme le programme PUFF permet de tester et d'optimiser, j'ai recherché la longueur idéale du micro ruban,le programme PUFF donne 26 comme longueur idéale.
Voici ce que donne la simulation. On remarque de suite que plusieurs longueurs de ligne sont possibles, comme la théorie indique qu'une self est mieux simulée lorsque la longueur électrique est inférieure au huitième de la longueur d'onde, les valeurs acceptables se situent entre 26 et 31 car c'est à cette longueur que l'on obtient les adaptations les meilleures à 3GHz (voir graphe) perte d'insertion et adaptation d'impédance sont optimales.
Tout se passe comme si cette ligne de transmission était un filtre passe bas avec une fréquence de coupure de 5,4GHz. Le nombre de cellule correspond à 8 étages comme dans le début de l'exposé. L'amélioration est sensible et permet de disposer d'un RETURN LOSS de plus de 15dB à 3GHz. Le choix est donc fait, la longueur électrique sera de 26 degré au lieu de 22 La longueur physique de cette ligne de 120 ohms d'impédance caractéristique vaut 3,9mm et 0,2mm de large. L'étape suivante consiste à intégrer le transistor CF739, pourquoi ce choix, deux raisons ce transistor est encore disponible et il est à faible bruit. Il est caractérisé jusqu'à 3GHz Il est Tétrode et cela est essentiel pour la stabilité. Dans la théorie des amplificateurs à constantes distribuées il est précisé que le modèle n'est valable que pour un transistor unilatéral, autrement dit ne possédant peu ou pas de capacité parasites entre l'entrée et la sortie or c'est précisément le cas avec ce transistor tétrode qui ne possède quasiment pas d'effet Miller (pour les habitués des paramètres S,S12 est très faible et constant sur une large gamme de fréquence.)
Conception de l'amplificateur CF739 Le programme PUFF va de nouveau être mis à contribution pour valider les formules de départ c-à-d Min 12 db de gain pour un amplificateur à 8 étages. De cette simulation l'on peut déduire que le l'amplificateur est stable sur la gamme de fréquence utilisée, le gain entre 10 et 1300MHz est constant en fonction de la fréquence. Le gain est supérieur à la valeur calculée, mais dans l'hypothèse de départ j'ai choisi une pente de 20mA/V or cette valeur est souvent supérieure pour le CF739( 25mA/V) d'ou le gain simulé plus grand (voir la valeur S21 du CF739) le gain diminue linéairement entre 1300Mhz et 3000MHz. Le but recherché est atteint sur deux points :le gain et l'adaptation d'impédance. La bande passante attendue n'est pas au rendez-vous. L'isolation par contre vaut au minimum 48 db ce qui cadre bien avec les valeurs de S12 du transistor. La courbe de réponse à 3 db vaut 1880Mhz référence 10MHz
Si le transistor choisi disposait d'une gamme de fréquence plus étendue, la courbe de réponse serait évidemment plus grande, une autre simulation a été entreprise avec un autre transistor afin de vérifier cette hypothèse. Dans cette simulation la courbe de réponse est linéaire et la variation calculée va de 9,59dB à 11,07 db entre les fréquences de 10MHz et 1,5GHz. On remarque de suite que l'isolation entre sortie et entrée vaut 35 db à 1,5GHz et se stabilise autour de 30 db à 3GHz. Cette isolation plus faible est évidemment liée à la valeur du paramètre S12 plus grand que pour le transistor tétrode CF 739, ce transistor étant un élément triode avec un effet Miller plus marqué. Ce transistor est évidemment un effet de champ à l'asga. La courbe de réponse simulée va également plus loin que 3GHz.
Construction A ce jour j'ai construit 3 exemplaires comprenant 10 étages, les mesures correspondent bien aux tests de simulation :le gain vaut 15 db et la courbe de réponse atteint 2GHz à 3 db, le facteur de bruit mesuré va de 4dB à 2dB au minimum. Voici le croquis du circuit imprimé de deux étages identiques : face inférieure et supérieure
Conclusions La conception a permis de réaliser un ampli avec une courbe de réponse allant jusqu'à 2GHz et une réponse en fréquence qui rentre bien dans le gabarit de la simulation. Il est possible d'améliorer les performances avec un transistor ayant une gamme de fréquence plus étendue (voir simulation CFY30A). Le circuit imprimé choisi est un modèle courant du commerce FR4, G10 et FR6 les performances sont acceptables pour ce genre de support. Les valeurs de capacité parasites entraînent des valeurs de self pour la ligne de transmission proche de la limite pratique: 3,9mm, la taille des composants est du même ordre de grandeur, inutile de préciser que ce montage nécessite de bonne lunettes ou bien encore une loupe afin de souder avec précision les composants. Cet amplificateur convient bien comme amplificateur de mesure devant un analyseur de spectre ou bien encore devant un fréquencemètre. Annexe CF739
Schéma de l amplificateur AMPLIFICATEUR LARGE BANDE à CF739-5V Ld/2 Ld=2,5nH 120 Ohms 26 1nFd 1nFd 51Ohms Lg/2 1nFd Lg=2,5nH 120 Ohms 26 sur G10 12 Ohms 220nH R=51 Ohms 78L05 +12V régulateur LM317 10µF ICL7660-5V +10V 5 K 10µ F