Entwurf und Simulation eines Leistungsverstärkers im B

FH Aachen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Modul Nr. 59 202, Hochfrequenzelektronik
Entwurf und Simulation
eines Leistungsverstärkers im B-Betrieb
Praktikumsbericht
vorgelegt von:
Betreuer:
Heinrichs
Kawohl
Rüttgers
Prof. Dr.-Ing. Holger Heuermann
Aachen, im Januar 2011
1 Einleitung
1
1 Einleitung
Im Rahmen eines Praktikums im Modul Hochfrequenzelektronik wird ein Klasse B-Verstärker
für die Frequenz 2,4 GHz ausgelegt. Dabei soll für die Simulationen das Harmonic-BalanceVerfahren angewendet und als Transistor soll ein Infineon PTFA2200121M verwendet werden.
Es handelt sich bei diesem Bauteil um einen 12 W-LDMOSFET für Leistungsverstärkeranwendungen, der für den Frequenzbereich von 700 MHz bis 2200 MHz optimiert ist. Er besitzt eine
typische Verstärkung von 20,5 dB. Die Simulation des Verstärkers wird mit der Umgebung
ADS, Version 2006, von Agilent durchgeführt. Zunächst wird eine gegebene Grundschaltung
auf den gewünschten Klasse B-Betrieb angepasst und anschließend werden die folgenden
Parameter gemessen oder rechnerisch ermittelt:
• S11 , S21 , S12 , S22 ,
• Wirkungsgrad η, PAE,
• Oberwellen,
• Stabilitätsfaktor k,
• Ausgangsleistung.
Mit Hilfe dieser Parameter wird die Schaltung in iterativen Schritten optimiert. Im Vordergrund sollen hierbei die auftretenden Phänomene und nicht eine möglichst exakte Schaltungsauslegung stehen.
2 Versuchsaufbau
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2 Versuchsaufbau
Abbildung 1 zeigt die gewählten Simulationen und die vollständig aufgebaute Schaltung. Für
den Transistor wurde ein vom Hersteller zur Verfügung gestelltes Simulationsmodell verwendet.
Am Eingang der Sourceschaltung wird das HF-Signal mit einer Frequenz von 2,4 GHz von
einer Quelle mit einstellbarer Leistung und einem Innenwiderstand von Zi = 20 Ω über den
Koppelkondensator C1 eingespeist. Zur Arbeitspunkteinstellung dient die Gleichspannungsquelle SRC2 mit dem Spannungsteiler aus R1 und R2 . Die Betriebsspannung von 28 V wird
von der Gleichspannungsquelle SRC1 zur Verfügung gestellt. Würde die Spule L2 fehlen, wäre
das HF-Signal über die Quelle SRC1 kurzgeschlossen. Über den Auskoppelkondensator C4
wird das HF-Signal an die Last abgegeben. Am Eingang dienen C6 und L4 und am Ausgang
C7 und L5 der Anpassung der Schaltung.
V ar
E qn
V ar
E qn
VA R
VA R 2
VDC T E S T =5.4
P AR AME T E R S WE E P
VA R
VA R 1
fo =2.4e9
HAR MO NIC B AL ANC E
H armo nic B alanc e
HB 1
F req[1]=fo H z
Order[1]=5
S -P AR AME T E R S
P AR AME T E R S WE E P
P aramS weep
S weep1
S weepVar=" V D C T E S T "
S imIns tanc eN ame[1]="S P 1"
S imIns tanc eN ame[2]=
S imIns tanc eN ame[3]=
S imIns tanc eN ame[4]=
S imIns tanc eN ame[5]=
S imIns tanc eN ame[6]=
S tart=1
S to p=10
S tep=
P aramS weep
S weep2
S weepVar=" V D C T E S T "
S imIns tanc eN ame[1]="H B 1"
S imIns tanc eN ame[2]=
S imIns tanc eN ame[3]=
S imIns tanc eN ame[4]=
S imIns tanc eN ame[5]=
S imIns tanc eN ame[6]=
S tart=4
S to p=6
S tep=
R
R1
R =3 kOhm
S tabF act
S tabF act1
S tabF act1=s tab_fac t(S )
S -P AR AME T E R S
L
L2
L=100 nH
R=
C
C3
C =2.2 uF
R
R3
R =20 kOhm
UG S
I_P ro be
I_In
P _1T o ne
P OR T 1
N um=1
Z =20 Ohm
P =po lar(dbmto w(28),0)
F req=2.4 G H z
C
C1
C =100 pF
C
C6
C =7.3 pF
L
L4
L=340 pH
R=
Pt
VDC
I_P ro be
I_D
gat e
t her mal
I nfi neon sour ce
R
R2
R =3 kOhm
Pt
P AE
P AE1
P A E 1=pae(Vo ut,0,V in,0,V D C ,0,I_Out.i,I_In.i,I_D .i,{1},{1})
V _D C
SR C1
Vdc=28 V
dr ain
E LM O
A 2 2 0 12 1
Vin
P AE
Pt
P _In
P _In=pt(V in,0,I_In.i)
Pt
Pt
P _Out
P _D C
P _Out=pt(V o ut,0,I_Out.i) P _D C =pt(V D C ,0,I_D .i)
S _P aram
SP 1
S tart=
S to p=
S tep=
V_DC
SR C2
Vdc=VDC T E S T
Pt
S tabF act
S _P aram
SP 2
S tart=2.2 G H z
S to p=2.6 G H z
S tep=20 M H z
IF X_E LM O_A 220121
X1
T flange=25
t=0
Abbildung 1: Schaltung in ADS
C
C7
C =13 pF
L
L5
L=400 pH
R=
C
C4
C =100 pF
Vo ut
I_P ro be
I_Out
T erm
T erm2
N um=2
Z =50 Ohm
3 Versuchsablauf und Auswertung
3
3 Versuchsablauf und Auswertung
In diesem Kapitel werden alle notwendigen Schritte zur Realisierung eines Leistungsverstärkers
im B-Betrieb und die dazugehörigen, relevanten Messungen beschrieben.
3.1 Arbeitspunkteinstellung
Der Arbeitspunkt eines Verstärkers im B-Betrieb wird in die Knickstelle der Eingangskennlinie
gelegt. Dadurch wird nur eine Halbwelle des Eingangssignals verstärkt. Liegt kein Eingangssignal an der Schaltung an, wird somit auch keine Leistung umgesetzt. UGS muss somit so
gewählt werden, dass der Transistor gerade sperrt. Laut Datenblatt liegt die Einsatzspannung
typisch bei 2,5 V. Durch eine Variation der Spannung der Quelle SRC2 von 1 V bis 10 V wird
die tatsächliche Einsatzspannung des Transistors ermittelt zu 5,4 V/2 = 2,7 V. Dieser Wert
lässt sich aus Abbildung 2 kurz vor der Stelle entnehmen, an der S21 den maximalen Wert
erreicht.
Abbildung 2: Bestimmung der Einsatzspannung
3.2 Anpassung der Verstärkerschaltung
Die Schaltung muss ein- und ausgangsseitig angepasst werden. Ohne Anpassung liegen S11
und S22 im Smith-Diagramm in der Nähe des Kurzschlusspunktes. Durch einen einfachen
Γ -Transformator kann das Verhalten der Gesamtschaltung verbessert werden. Hierbei existieren verschiedene Möglichkeiten der Realisierung, die jeweils Vor- und Nachteile besitzen.
Im Rahmen dieses Projektes entscheidet man sich sinnvollerweise für eine Schaltung aus
einem Serienkondensator und einer Parallelspule, da somit das HF-Signal nicht geblockt wird.
Durch die Veränderung von L und C und anschließender Kontrolle im Smith-Diagramm (siehe
Abbildung 3) nähert man sich iterativ dem Anpassungspunkt. Dabei ist am Eingang eine
konjugiert komplexe Anpassung erwünscht. Am Ausgang hingegen erreicht man damit zwar
3 Versuchsablauf und Auswertung
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maximale Verstärkung, jedoch kann es passieren, dass die maximale Ausgangsleistung durch
die maximale Spannung der Gleichspannungsquelle begrenzt wird, obwohl der maximale Strom
noch nicht erreicht ist. Daher ist am Ausgang eine Auslegung auf maximale Spannung und
maximalen Strom erwünscht. Trotzdem soll der Imaginärteil eliminiert werden.
Abbildung 3: Anpassung mittels Smith-Diagramm
3.3 Streuparameter
Die Abbildungen 4, 5, 6 und 7 zeigen die Streuparameter der angepassten Schaltung. Die
Transmission S21 liegt bei der gewünschten Arbeitsfrequenz bei circa 15 dB und damit 5 dB
unter der laut Datenblatt maximal erreichbaren Verstärkung. Um bessere Werte erreichen
zu können, müsste man weiter optimieren. Ähnliches gilt für die weiteren Streuparameter.
Am Eingang erreicht man für S11 einen Wert von −17 dB und am Ausgang liegt S22 bei −20 dB.
Abbildung 4: Streuparameter S11
Abbildung 5: Streuparameter S22
3 Versuchsablauf und Auswertung
Abbildung 6: Streuparameter S21
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Abbildung 7: Streuparameter S12
3.4 Zeitsignale der Schaltung
Abbildung 8 zeigt die Spannung UGS mit dem beaufschlagten 28 dBm-Eingangssignal. Abbildung 9 zeigt das Ausgangssignal der Schaltung mit einer Spannung von etwa 25 V. Es besitzt
einen leichten Offset, da der Verstärker in Kompression betrieben wird.
Abbildung 8: Signal am Transistoreingang
Abbildung 9: Signal am Schaltungsausgang
3.5 Verstärkung, Harmonische und Stabilität
Mittels der Harmonic-Balance-Simulation werden die Harmonischen bis zum Index 5 berechnet.
Abbildung 10 zeigt beim Index 1 den Leistungsanteil bei der Grundfrequenz von 2,4 GHz.
Dieser beträgt 39 dBm. Bei einer Eingangsleistung von 28 dBm entspricht dies einer Verstärkung der Grundfrequenz von 11 dB. Die Differenz zwischen diesem Wert und dem erreichten
S21 -Wert von 15 dB erklärt sich durch die Großsignalanalyse im Harmonic-Balance-Fall.
3 Versuchsablauf und Auswertung
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Abbildung 10: Verstärkung und Harmonische
Um Aussagen zur Stabilität treffen zu können, wird der Stabilitätsfaktor k betrachtet.
Dieser muss größer als 1 sein, damit Stabilität gegeben ist. Bei der Arbeitsfrequenz liegt der
Faktor, wie in Abbildung 11 zu sehen, ungefähr bei k = 1,12.
Abbildung 11: Stabilitätsfaktor
3.6 Wirkungsgrad und PAE
Mit dem realisierten Klasse B-Verstärker wird ein PAE von 47,2 % erreicht. Der Wirkungsgrad
η beträgt 61,8 %.
3.7 Einfluss der Eingangsleistung auf das Ausgangssignal
In Abbildung 12 ist der Einfluss der Eingangsleistung auf die Ausgangsspannung dargestellt.
Die blaue Kurve zeigt die Ausgangsspannung bei einer Eingangsleistung von 20 dBm. Man
erkennt, dass der Verstärker bei dieser Eingangsleistung das Sinussignal noch sauber verstärkt,
sich aber noch nicht in Kompression befindet. Die rote Kurve zeigt das Ausgangssignal bei
den auch für alle anderen Darstellungen gewählten 28 dBm. Bei dieser Eingangsleistung wird
3 Versuchsablauf und Auswertung
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die untere Halbwelle zwar nicht mehr sauber erzeugt, trotzdem ist die maximale Ausgangsspannung höher als bei einer Eingangsleistung von 20 dBm. Bei einem Leistungsverstärker ist
eine maximale Ausgangsleistung erwünscht und die Verzerrungen werden dabei toleriert.
Abbildung 12: Ausgangsspannungen bei verschiedenen Eingangsleistungen
Die Zunahme der Eingangsleistung bewirkt, wie in Abbildung 13 zu sehen, einen Anstieg der Ausgangsleistung bei der Grundfrequenz. Aber es ist auch eine im Vergleich zur
Grundfrequenz deutlich höhere Leistungszunahme bei den Harmonischen zu erkennen, was
im Zeitbereich in Abbildung 12 durch die Verzerrungen der Ausgangsspannung dargestellt wird.
Abbildung 13: Harmonische bei verschiedenen Eingangsleistungen
4 Fazit
8
4 Fazit
Es konnte ein Klasse B-Verstärker realisiert werden, der eine Ausgangsleistung von rund
40 dBm beziehungsweise 10 W bei einer Eingangsleistung von 28 dBm beziehungsweise 0,63 W
liefert. Der realisierte Wirkungsgrad liegt unterhalb des theoretisch erreichbaren Wertes. Die
ein- und ausgangsseitige Anpassung sowie die Transmission besitzen für die Praxis brauchbare
Werte. Die Stabilität der Schaltung müsste unterhalb von 2,2 GHz verbessert werden, da sich
hier eine Schwingneigung einstellt.