AMPLIFICATEUR LARGE BANDE avec CF739Sujet :.Conception dun amplificateur constantes distribues utilisant des micro rubans et le transistor ttrode CF739.

But : concevoir un amplificateur faible bruit avec un gain de 15 dB ayant une bandepassante de 2 GHz et un puissance de sortie de 15dBm. 30mW.

Introduction :Un amplificateur ayant simultanment une bande passante leve, un faible facteur de bruit et une puissance de sortie respectable est assez peu courant. Je propose donc un amplificateur runissant ces quatre caractristiques simultanment. La solution retenue est lusage de lamplificateur constante distribue. Depuis les annes 50 cette mthode a t utilise de nombreuses reprises par la firme TEKTRONIX, cette mthode tait utilise dans les amplificateurs verticaux des oscilloscopes de la marque. Le principe utilis consistait construire une ligne de transmission autour des capacits parasites des tubes lectroniques (penthode) pour construire un amplificateur grande bande passante, de cette manire ,les capacits parasites des tubes ntaient plus la limite dutilisation , mais bien au contraire un lment actif de lamplificateur.

Conception :Dans la thorie des lignes de transmission, nous trouvons la formule de limpdance caractristique dune ligne de transmission :

Zo = L / C

(1)

Limpdance dentre de lamplificateur est 50 Le transistor qui est llment actif possde une capacit dentre de lordre de 1 pF On peut donc calculer la valeur de linductance correspondante.

L = Zo 2 xC2500 x10 +12 = 2,5 x10 9

(2) autrement dit 2.5nH

Dans notre cas

La ligne de transmission ainsi cre sera donc compose des lments suivants : Une ligne de transmission compose de self de 2.5 nH associe un condensateur de 1pF (capacit grille source du transistor).2.5 nH 2.5nH 2.5nH

1pF

Calcul du micro rubanLtape suivante consiste calculer le micro ruban qui reprsente une self de 2.5nH La formule permettant de calculer la Longueur lectrique dun micro ruban est la suivante :

Longueur =

Frquence induc tan ce Zo

(3)

Dans notre cas la frquence maximale utilisable du transistor est de 3 GHz.(voir annexe) et limpdance du micro ruban est de 120 . fin de simuler au mieux une inductance on choisit limpdance la plus haute physiquement ralisable sur le support G10 i.e. 0,33mm ou 120 la longueur lectrique vaut donc 3x109x2.5x10-9 /120 = 0.0625 de la longueur donde qui reprsente 360 , 0.0625x360= 22.5 on obtient donc 22.5 Le Micro ruban aura donc une valeur de 120 dimpdance caractristique et 22.5 de longueur lectrique. Sur du FR4 de 1.5mm dpaisseur la largeur de piste vaut 0.33mm et longueur de 3.5mm !

Schma thorique dun ampli constantes rparties

Combien dtages sont ncessaires ? rponse = avec 8 tages le gain vaut 16 autrement dit 12 dB.

Gain linaire = (8*20*10-3*50) /4 = 16 En dB =10 log 16= 12dB Dans lequel : N est le nombre dtage = 8 Gm est la pente ou transconductance dun seul transistor exprim en A/V = 20*10-3 A/V Zo est limpdance caractristique de lentre ou sortie ici 50 ohms Ceci pos, si on utilise les mme composants (le mme Micro ruban) la valeur du condensateur drain source est plus faible (0,5pF) que le condensateur Grille source. Lajout dun condensateur de 0,5pF est donc ncessaire pour obtenir le mme temps de propagation dans les deux lignes de transmission.

Simulation de la conception dune ligne de transmission avec le programme PUFFAfin de vrifier la thorie , jutilise le logiciel PUFF pour simuler une ligne de transmission ainsi forme . De cette faon je disposerai des informations pour construire mon amplificateur avec le CF739. Simulation de ligne dentre de 10MHz 3000MHz.

La mme ligne avec une capacit de .5pF

De ces deux simulations on peut retenir ceci: La premire simulation donne une adaptation dimpdance de -12dB au minimum. Tandis que la deuxime simulation est bien sr plus favorable ,car la capacit drain source est de .5pF Cependant nous devons avoir deux lignes identiques , on doit donc ajouter une capacit de 0,5pF sur la ligne raccorde au drain . La simulation indique que l'approximation d'une ligne caractristique de 50 Ohms au dpart d'un micro ruban fonctionne jusqu' 3GHz. Comme le programme PUFF permet de tester et d'optimiser , j'ai recherch la longueur idale du micro ruban ,le programme PUFF donne 26 comme longueur idale.

Voici ce que donne la simulation.

On remarque de suite que plusieurs longueurs de ligne sont possibles , comme la thorie indique qu'une self est mieux simule lorsque la longueur lectrique est infrieure au huitime de la longueur d'onde , les valeurs acceptables se situent entre 26 et 31 car c'est cette longueur que l'on obtient les adaptations les meilleures 3GHz (voir graphe) perte d'insertion et adaptation d'impdance sont optimales.

Tout se passe comme si cette ligne de transmission tait un filtre passe bas avec une frquence de coupure de 5,4GHz. Le nombre de cellule correspond 8 tages comme dans le dbut de l'expos. L'amlioration est sensible et permet de disposer d'un RETURN LOSS de plus de 15dB 3GHz. Le choix est donc fait, la longueur lectrique sera de 26 degr au lieu de 22 La longueur physique de cette ligne de 120 ohms d'impdance caractristique vaut 3,9mm et 0,2mm de large . L'tape suivante consiste intgrer le transistor CF739 , pourquoi ce choix, deux raisons ce transistor est encore disponible et il est faible bruit. Il est caractris jusqu' 3GHz Il est Ttrode et cela est essentiel pour la stabilit. Dans la thorie des amplificateurs constantes distribues il est prcis que le modle n'est valable que pour un transistor unilatral , autrement dit ne possdant peu ou pas de capacit parasites entre l'entre et la sortie or c'est prcisment le cas avec ce transistor ttrode qui ne possde quasiment pas d'effet Miller (pour les habitus des paramtres S ,S12 est trs faible et constant sur une large gamme de frquence.)

Conception de l'amplificateur CF739Le programme PUFF va de nouveau tre mis contribution pour valider les formules de dpart c--d Min 12 dB de gain pour un amplificateur 8 tages.

De cette simulation l'on peut dduire que le l'amplificateur est stable sur la gamme de frquence utilise, le gain entre 10 et 1300MHz est constant en fonction de la frquence. Le gain est suprieur la valeur calcule, mais dans l'hypothse de dpart j'ai choisi une pente de 20mA/V or cette valeur est souvent suprieure pour le CF739( 25mA/V) d'ou le gain simul plus grand (voir la valeur S21 du CF739) le gain diminue linairement entre 1300Mhz et 3000MHz. Le but recherch est atteint sur deux points :le gain et l'adaptation d'impdance. 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 rponse 3 dB vaut 1880Mhz rfrence 10MHz

Si le transistor choisi disposait d'une gamme de frquence plus tendue , la courbe de rponse serait videmment plus grande , une autre simulation a t entreprise avec un autre transistor afin de vrifier cette hypothse.

Dans cette simulation la courbe de rponse est linaire et la variation calcule va de 9,59dB 11,07 dB entre les frquences de 10MHz et 1,5GHz . On remarque de suite que l'isolation entre sortie et entre vaut 35 dB 1,5GHz et se stabilise autour de 30 dB 3GHz. Cette isolation plus faible est videmment lie la valeur du paramtre S12 plus grand que pour le transistor ttrode CF 739 , ce transistor tant un lment triode avec un effet Miller plus marqu. Ce transistor est videmment un effet de champ l'AsGa. La courbe de rponse simule va galement plus loin que 3GHz.

ConstructionA ce jour j'ai construit 3 exemplaires comprenant 10 tages , les mesures correspondent bien aux tests de simulation :le gain vaut 15 dB et la courbe de rponse atteint 2GHz 3 dB , le facteur de bruit mesur va de 4dB 2dB au minimum. Voici le croquis du circuit imprim de deux tages identiques : face infrieure et suprieure

ConclusionsLa conception a permis de raliser un ampli avec une courbe de rponse allant jusqu' 2GHz et une rponse en frquence qui rentre bien dans le gabarit de la simulation. Il est possible d'amliorer les performances avec un transistor ayant une gamme de frquence plus tendue (voir simulation CFY30A). Le circuit imprim choisi est un modle courant du commerce FR4 , G10 et FR6 les performances sont acceptables pour ce genre de support. Les valeurs de capacit parasites entranent des valeurs de self pour la ligne de transmission proche de la limite pratique: 3,9mm , la taille des composants est du mme ordre de grandeur, inutile de prciser que ce montage ncessite de bonne lunettes ou bien encore une loupe afin de souder avec prcision les composants. Cet amplificateur convient bien comme amplificateur de mesure devant un analyseur de spectre ou bien encore devant un frquencemtre. Annexe CF739

Schma de lamplificateur

Ld/2

Ld=2,5nH 120 Ohms 26 1nFd

1nFd 51Ohms

Lg/2 Lg=2,5nH 120 Ohms 26 sur G10

1nFd

12 Ohms 220nH

R=51 Ohms 78L05 ICL7660 10F -5V

+12V rgulateur LM317 +10V

5K

10 F

-5V

AMPLIFICATEUR LARGE BANDE CF739