Amplificatori transistorizzati a RF in stripline

@ Pierbassano Turrini - IW2BC


Classe di lavoro

La normale classe di lavoro per transistor di potenza per RF è la classe C con polarizzazione zero.
Tale classe è facilmente progettabile, particolarmente efficente e vantaggiosa per FM e CW.
La maggior parte dei "data sheet" sono riferiti alla classe C.
Se si desidera un amplificatore lineare il transistor andrà polarizzato per una classe di lavoro B.
Usando classi di lavoro superiori alla B si avrà un riduzione della potenza di uscita e del rendimento.
Generalmente sono ammesse correnti di riposo da 50 a 100 mA.
Per amplificatori di segnali a basso livello o per amplificatori ultralineari richiedenti -40 a -60 dB di intermodulazione, l'unica classe di lavoro possibile è la A.
Bisogna tener presente che per i transistor di potenza a RF è critica la corrente e non la tensione.

Considerazioni di progetto

Per un amplificatore transistorizzato si dovranno, in primo luogo, considerare gli adattamenti di impedenza e l'alimentazione in continua.


Figura 1: Tipico stadio di amplificatore a RF a transistor

Generalmente in uno stadio amplificatore in stripline gli adattamenti sono realizzati con delle celle a L. (fig. 2)
In aggiunta all'adattamento questa configurazione provvede al taglio delle armoniche di ingresso e di uscita comportandosi anche da filtro passa basso.

 Figura 2

Se il Q di questo stadio di adattamento è tenuto basso (da 2 a 3) si otterà un ampia larghezza di banda.
Il Q considerato è quello caricato del circuito di adattamento e non il Q a vuoto di ogni singolo elemento.
Scegliendo componenti ad alto Q si riducono le perdite, si allarga la banda passante e sono richiesti componenti di valore meno critico.
Un comodo sistema per determinare i valori di L, C, e Q è l'uso della "Carta di Smith".


Dimensionamento

Le impedenze di ingresso e di carico sono normalmente fornite sui "data sheet" dei costruttori e possono essere indicate come equivalente serie o parallelo, in ogni caso ognuna di queste puo' essere trasformata nell'altra. (fig. 3)


Figura 3


Formule di conversione per equivalenti serie e parallelo



Nel dimensionamento di una rete di adattamento è necessario lavorare sempre dal transistor alla terminazione a 50 ohm.
Se il primo elemento da adattare e un elemento "shunt", deve essere usata l'impedenza equivalente parallelo, analogamente l'equivalente serie quando il primo e' un elemento serie.
Con tale costruzione l'impedenza complessa diventa reale e uguale Rp o Rs. (fig. 4)


Fig. 4: Processo di trsformazione

Nell'esempio di fig. 4 la capacita' esterna richiesta è calcolata in accordo alla seguente equazione



* Se l'impedenza di Cp è minore di 8 ohm è conveniente usare due condensatori in parallelo, uno per ogni terminale di emettitore, per minimizzare l'induttanza ed equalizzare le correnti di massa.
* Se Rp è alta (simile a 15 ohm) la rete di adattamento richiede una sola sezione.
Se Rp e' bassa (da 2 a 5 ohm max) saranno necessarie due o più sezioni a L.
* Se sono richieste più sezioni il punto di impedenza intermedia è selezionabile approssimativamente dalla seguente formula ed eventualmente arrotondato ad un più comodo valore.



* Il punto ad impedenza intermedia ed il numero delle sezioni a L non sono entrambi critici a meno che non sia richiesta la massima larghezza di banda.
* Se si desidera il minimo Q possibile le trasformazioni si eseguiranno con linee in quarto d'onda, strpline o cavo di impedenza Z0 = radice quadrata di Z1 per Zm.
* La "Carta di Smith" va sempre normalizzata al valore di impedenza della linea.

La "Carta di Smith"

Supponiamo di dover eseguire il seguente adattamento.



Selezionato il punto di impedenza intermedia si possono calcolare L1 e C2.
Per un facile calcolo si sceglie l'impedenza della linea uguale a Zm (15 ohm).
Si normalizza la Carta di Smith" a 15 ohm per cui Z2=15/15=1 e Z1=5/15=0,333
Si riportano i punti sulla carta e partendo da Z1si avanza in senso orario in modo circolare con origine nel centro della carta, finchè si raggiunge il cerchio di ammettenza che passa sull'impedenza di uscita desiderata (Zm=15 ohm).
Si può notare che i valori di L1 - C2 e Q possono essere letti direttamente (Tav. 1).
Se si desidera che la lunghezza di L1 sia più  corta, si può' usare un piu' alto valore di impedenza della strpline non curando la perdita del Q (Tav. 2).
Le ulteriori sezioni a L verranno dimensionate in egual modo.





Adattamento di uscita

I costruttori di transistor fornicono normalmente l'impedenza serie del carico richiesto. (simile a 4 +J2)
L'impedenza di partenza sulla "Carta di Smith" è la coniugazione complessa del carico. (4 -J2)
In alcuni casi viene indicata direttamente l'impedenza serie di uscita. (4 -J2)
Nel caso non fosse fornita nessuna indicazione puo essere determinata l'impedenza di uscita come:



Cout = K x Ccb dove Ccb è la capacità collettore - base e la costante K vale circa da 1 a 1,5 per la classe di lavoro C.
* il valore di Vce (sat) non è normalmente fornito, ma un valore di 3 volt è una buona approsimazione.
* In Tab 3 viene presentato un adattamento di uscita con impedenza complessa serie.
* Scegliendo l'equivalente parallelo la capacità di uscita sarà neutralizzata dall'impedenza di alimentazione in continua del collettore.



l'adattamento sarà poi eseguito come da Tab. 1 e 2.
Un ulteriore interessante situazione di adattamento è l'intersadio tra due transistor.
L'ottima impedenza della linea per L1 e L2 è praticamente bassa.
Con parecchio sacrificio nel Q viene usata un'alta impedenza per ottenere una piu' pratica lunghezza e largezza di banda della L2. (Tab. 4)







Esempio

Dovendo realizzare la linea L1come dalla tabella 1 si determina il rapporto W/h in funzione dell'impedenza caratteristica della linea e della costante dielettrica E del materiale di supporo.
Supponendo del laminato in fibra di vetro tipo G10 con spessore 1,5 mm e E=4,8 dalla Tab. 5:

(per 15 ohm)   W/h= circa 7,5   da cui   W=7,5x1,6=11,25 mm.

Dalla Tab. 7 per W/h=7,5, Er vale circa 4,2. Se



Larghezza della linea = 11 mm.
Lungezza della linea = 12 cm.



Riferimenti

SOLID CIRCUITS your RF power amplifier performance
Communications Transistor Company
301 Industrial Way
San Carlos, California 94070

Application Book
2.2.8.0A

Stampato in Marzo 1973



Scarica il manoscritto: Amplificatori RF in stripline



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