Автоматизация проектирования высокочастотных устройств
СОДЕРЖАНИЕ
1 Из теории линейных электрических цепей 4
1.1 Расчеты линейных резистивных цепей. Законы Ома, Кирхгофа 4
1.2 Метод узловых потенциалов 4
1.3 Метод кумулянтов 6
1.4 Расчет цепей состоящих из L, C, R элементов 9
1.5 Свободные колебания в электрических цепях 10
1.6 Нормирование функций электрических цепей 12
1.7 Синтез фильтров нижних частот 13
2 Расчет полосно-пропускающих фильтров (ППФ) 16
2.1 Последовательный контур и реактансное преобразование частоты 16
Трансформаторы на отрезках линий 22
3.1 Согласование активных сопротивлений. Идеальный трансформатор. 22
3.2 Характеристики обмоточных трансформаторов 24
3.3 Трансформаторы на отрезках линий. Понятия «продольных» напряжений и токов 25
3.4 Использование ферритов для уменьшения продольных токов 26
3.5 ШТЛ с коэффициентами трансформации 1:2 и 1:3 26
3.6 ШТЛ с дробным коэффициентом трансформации 29
3.7 ШТЛ без ФЛ 29
3.8 ШТЛ для двухтактных каскадов 32
4 Схемы сложения и деления мощности 34
4.1 Классическая мостовая схема 34
4.2 Преобразования классической мостовой схемы 35
5 Частотно разделительные устройства (мултиплексеры) 43
5.1 Диплексеры фильтрового типа 44
6 Примеры использования трансформирующих, суммирующих устройств и мультиплексеров 48
7 Фильтры гармоник 48
8 Синтезаторы частот 51
8.1 Пассивные некогерентные синтезаторы 52
8.2 Пассивные когерентные синтезаторы 53
8.3 Синтезаторы на основе ФАПЧ 54
9 Структурные схемы РПУ 57
10 Современные системы схемотехнического моделирования и проектирования 58
10.1 Система схемотехнического моделирования и конструирования Serenade. 58
10.2 Система схемотехнического моделирования и конструирования Orcad. 59
10.2.1 Анализ частотных характеристик фильтров гармоник 59
10.2.2 Моделирование оконечного каскада радиопередатчика 63
10.2.3 Моделирование ARC-фильтров на операционных усилителях 71
10.3 Система схемотехнического моделирования и конструирования AWR. 81
10.3.1 Подготовка к работе со средой Microwave Office 82
10.3.2 Установка размерности и диапазона частот 83
10.3.3 Моделирования конструкции усилителя 86
10.3.4 Анализ частотных характеристик 89
10.3.4 Оптимизация усилителя 90
1 Из теории линейных электрических цепей
1.1 Расчеты линейных резистивных цепей. Законы Ома, Кирхгофа
В простейшем случае законы Ома и Кирхгофа можно проиллюстрировать с помощью рис. 1.1:
Рис. 1.1
- закон Ома —
- первый закон Кирхгофа — алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. Например, все вытекающие токи имеют знак «+», а втекающие — знак «-». В примере втекающий и вытекающий ток это один и тот токI;
- второй закон Кирхгофа — алгебраическая сумма напряжений в любом контуре равна нулю. Действительно, в примере E = UR.
Законы Кирхгофа выполняются для цепей любой сложности.
1.2 Метод узловых потенциалов
1.2.1 Рассмотрим метод узловых потенциалов на примере анализа цепных схем (рис. 1.2).
Рис. 1.2
Метод узловых потенциалов основан на
применении первого закона Кирхгофа
последовательно ко всем узлам цепной
схемы (общий узел имеет номер «0»).
Проводимостям, включенным между
соответствующим узлом и общим узлом
схемы присваивается номер узла, например,
проводимость между узлами «2» и «0» имеет
наименование G2.
Проводимостям, включенным между любыми
двумя узлами (исключая общий узел)
присваивается наименованиеGik,
гдеi – номер
меньшего, аk –
большего по порядку узла. Для цепной
схемы это проводимостиG12,G23,G34,
и т.д. Так как направления напряжений и
токов, протекающих через проводимости
схемы заранее неизвестны, примем
следующее правило определения токов
через проводимости:
,
гдеi– номер узла к
которому применяется закон Кирхгофа;k – номер узла с
которым связан через проводимостьGikузелi, включая и
нулевой узел.
Запишем последовательно уравнения алгебраических сумм токов для первого, второго, третьего и т.д. узлов, включая последний:
,для
первого слагаемого k
=
0. для
второго k
=
2. Для
первого слагаемого второго узла i
=
2, k
= 1, для
последнего k
=
3. И
т. д.
,
,
.
.
.
.
Перепишем систему уравнений, группируя проводимости с одинаковым потенциалом:
,
,
,
.
.
.
.
Если суммы проводимостей «примыкающих» к соответствующему узлу (они записаны в скобках), обозначить удвоением в индексе номера узла, запись системы уравнений упростится:
,
,
,
.
.
.
,
где G11 = G1 + G12, G22 = G12 + G2 + G23 и т.д.
Таким образом, мы получили «ленточную» систему уравнений, которая может быть записана в матричной форме:
,
и решена известными методами.
1.2.2 Рассмотрим обобщение метода узловых потенциалов для расчета цепей содержащих комплексные (операторные) проводимости. Для обозначения которых будем использовать символ Y(p). На рис. 1.3 показана цепь, состоящая из операторных проводимостейY(p) и содержащая два узла.
Рис. 1.3
Уравнения узловых потенциалов для нее записываются следующим образом:
В частном случае из второго уравнения можно получить функцию передачи:
