ADS-Simulation 6. Januar 2012 - von Prof. Dr.

Praktikum
Mikrowellentechnik
Andreas Möller
Praktikumsversuch:
ADS-Simulation
6. Januar 2012
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1. Versuchsbeschreibung
In diesem Praktikumsversuch wird die Schaltungssimulation Advanced Design System (ADS) der Firma
Agilent eingesetzt, um das Verhalten eines Verstärkers im AB-Betrieb zu simulieren.
Zu dieser Betriebsart bietet ADS ein Beispielprojekt mit folgenden Simulationen an:
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LoadPull-Simulation
Eingangsleistung-Variation (monofrequent)
Variation des Arbeitspunktes
Eingangsleistung-Variation (2 Frequenzen)
Zum Verständnis und der Vollständigkeit halber sind die Gleichungen, die zur Berechnung der Graphen
benötigt werden, bei jedem Abschnitt mit angegeben.
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2. Aufbau des Simulationsmodells
Den folgenden Simulationen liegt die Verstärkerschaltung in Abbildung 1 zugrunde.
Abbildung 1: Innere Beschaltung des Verstärkers (classABamp_schematic_core)
Dort werden nur noch die Äußere Beschaltung bzw. die Simulationsparameter angegeben siehe
Abbildung 2. „ClassABamp“ entspricht Abbildung 1. Zur Messung von Strömen müssen die Messgeräte
in die Leitung gesetzt werden (I_Probe). Spannungen können anhand der Leitungsbeschriftungen (z.B.
U_Gate_FET2) ermittelt werden.
Abbildung 2: ClassABamp als "Kern" der Simulation
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3. LoadPull-Simulation
In diesem Versuchsteil wird eine Load-Pull-Simulation durchgeführt. Hierbei ist die Lastimpedanz durch
einen sogenannten „Load-Tuner“ einstellbar. Ziel dieses Versuches ist es die tatsächlich an die Last
abgegebene Leistung, über den Lastbereich, zu ermitteln. Der Bereich, über den die Lastimpedanz
einstellbar ist, wird im Smith-Diagramm in Abbildung 3 dargestellt.
Abbildung 3: LoadPull-Simulation Schaltung
Auf der Schaltungsseite werden die Simulationsvorgaben gesetzt. Die Art der Simulation die
durchgeführt werden soll, sowie auch die „Sweeps“ die bei der Simulation berechnet werden sollen.
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Abbildung 4: LoadPull-Simulation Gleichungen
Abbildung 5: LoadPull-Simulation Plot 1 (PAE und abgegebene Leistung)
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Abbildung 6: LoadPull-Simulation Plot 2 (re-normalisierte PAE und abgegebene Leistung)
Abbildung 7: LoadPull-Simulation Plot 3 (PAE und abgegebene Leistung)
Real- und Imaginär-Teil der eingestellten Last.
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In der folgenden Abbildung wird gezeigt, wie in der Simulation die Lastimpedanz gewählt werden kann.
Hier als „Marker m3“ bezeichnet.
Abbildung 8: LoadPull-Simulation Plot 4 (Last-Impedanz Auswahl)
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4. Eingangsleistung-Variation (monofrequent)
Bei dieser Simulation kann die Eingangsleistung „RFpower“ im Bereich von 5-15dbm (3.16mW 31.62mW) variiert werden. Hierbei soll unteranderem die PAE über den Leistungsbereich ermittelt
werden.
Abbildung 9: Eingangsleistung-Variation Schaltung
Der „Sweep Plan“ gibt den Einstellbereich der Parameter vor. Von 5 bis 15dBm wird eine Schrittweite
von 1dBm vorgegeben von 16-24dBm eine „feinere“ von 0,5dBm.
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Abbildung 10: Eingangsleistung-Variation Gleichungen
Abbildung 11: Eingangsleistung-Variation Plot 1 (PAE, Versorgungsstrom, Ausgangsspektrum und Übertragungsfunktion)
Im Ausgangsspektrum (Abbildung 11) sind die Leistung, der Grundwelle bei 850MHz sowie die der
dargestellten 2 Oberwellen, erkennbar.
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Abbildung 12: Eingangsleistung-Variation Plot 2 (Ein und Ausgangs-spannung und Ströme am FET)
In der Abbildung 12 werden die Spannungen und Ströme an den FETs in Abhängigkeit zu den
einzustellenden Parametern dargestellt. Gut zu erkennen ist wie die FETs abwechselnd durchschalten,
sowie die dazugehörigen Ströme, in Abhängigkeit zur gegebenen Eingangsleistung.
Abbildung 13: Eingangsleistung-Variation Plot 3
Bis zu einer Eingangsleistung von 16dBm wird die 3te Oberwelle noch gut unterdrückt danach steigt sie
im Vergleich zur Leistung bei der Grundfrequenz stärker an.
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5. Variation des Arbeitspunktes
Dieser Versuch befasst sich mit der Ermittlung der Verstärkung und der PAE bei verschiedenen
Arbeitspunktvorspannungen. Dazu kann der Spannungsbereich der Spannungsquelle SRC2 zwischen -1.5
und -3.5V variiert werden.
Abbildung 14: Variation des Arbeitspunktes Schaltung
Abbildung 15: Arbeitspunkteinstellung der Spannung an InputBias
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Abbildung 16: Variation des Arbeitspunktes Gleichungen
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Abbildung 18 zeigt die Ausgangsleistung, PAE, Verstärkung und den Versorgungsstrom des Verstärkers
an. Unter dem Punkt Verstärkung sieht man, dass desto größer die Bias-Spannung gewählt wird desto
höher die Verstärkung der Schaltung ist. Gut zu erkennen ist auch, dass bei einer Vorspannung von ca.
-2.3V die höchste Effizienz (ca. 85%) erreicht wird.
Abbildung 17: Variation des Arbeitspunktes Plot 1 (Ausgangsleistung, PAE, Verstärkung, Ausgangs-Spektrum, ParameterWahl)
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Bei -2,6V wird die höchste Unterdrückung der 3ten Oberwelle erreicht.
Abbildung 18: Variation des Arbeitspunktes Plot 2
Abbildung 19: Variation des Arbeitspunktes Plot 3 (Ströme und Spannungen am FET im zeitlichen Verlauf)
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6. Eingangsleistung-Variation (2 Frequenzen)
Bei den vorherigen Versuchen wurde eine mono-frequente Eingangsspannung am Eingang angelegt.
Nun werden 2 sich überlagernde Frequenzen „Freq[1]“ und „Freq[2]“ zur Verfügung gestellt.
[ ]
[ ]
Abbildung 20: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Schaltung
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Abbildung 21: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 1
Abbildung 22: Eingangsleistung-Variation (2-Tone)
Gleichung 3
Abbildung 23: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 2
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Abbildung 25: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 5
Abbildung 24: Eingangsleistung-Variation (2-Tone)
Gleichung 4
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Über den Marker „m1“ kann wie im 2ten Versuch die Eingangsleistung variiert werden (gleicher
Leistungsbereich).
Abbildung 26: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 1 (Ausgangsspektrum, PAE, Übertragungsfunktion, Parameter-Wahl)
Im Vergleich zur Simulation mit einem monofrequenten Eingangssignal entstehen deutlich mehr
Oberwellen nah der Grundfrequenz.
Abbildung 27: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 2 (IM Verzerrung 3ter und 4ter Ordnung)
Abbildung 28: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 3
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7. Fazit
Mit der Software ADS lassen sich sowohl einfache Simulationsparameter wie auch aufwendige
Schaltungen simulieren. Ein großer Vorteil, der sich im Praktikum rausgestellt hat, sind die
anschaulichen graphischen Darstellungsmöglichkeiten in verschiedenen Diagramm-Arten, sowie auch
die Vorgabe von Parametern durch die Auswahl von Punkten z. B. im Smith-Diagramm.
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1: Innere Beschaltung des Verstärkers (classABamp_schematic_core) ................................................................................................... 3
Abbildung 2: ClassABamp als "Kern" der Simulation ................................................................................................................................................ 3
Abbildung 3: LoadPull-Simulation Schaltung............................................................................................................................................................. 4
Abbildung 4: LoadPull-Simulation Gleichungen ........................................................................................................................................................ 5
Abbildung 5: LoadPull-Simulation Plot 1 (PAE und abgegebene Leistung) ................................................................................................................ 5
Abbildung 6: LoadPull-Simulation Plot 2 (re-normalisierte PAE und abgegebene Leistung) ..................................................................................... 6
Abbildung 7: LoadPull-Simulation Plot 3 (PAE und abgegebene Leistung) ................................................................................................................ 6
Abbildung 8: LoadPull-Simulation Plot 4 (Last-Impedanz Auswahl) .......................................................................................................................... 7
Abbildung 9: Eingangsleistung-Variation Schaltung .................................................................................................................................................. 8
Abbildung 10: Eingangsleistung-Variation Gleichungen............................................................................................................................................ 9
Abbildung 11: Eingangsleistung-Variation Plot 1 (PAE, Versorgungsstrom, Ausgangsspektrum und Übertragungsfunktion) .................................. 9
Abbildung 12: Eingangsleistung-Variation Plot 2 (Ein und Ausgangs-spannung und Ströme am FET) .................................................................... 10
Abbildung 13: Eingangsleistung-Variation Plot 3 .................................................................................................................................................... 10
Abbildung 14: Variation des Arbeitspunktes Schaltung .......................................................................................................................................... 11
Abbildung 15: Arbeitspunkteinstellung der Spannung an InputBias ....................................................................................................................... 11
Abbildung 16: Variation des Arbeitspunktes Gleichungen ...................................................................................................................................... 12
Abbildung 17: Variation des Arbeitspunktes Plot 1 (Ausgangsleistung, PAE, Verstärkung, Ausgangs-Spektrum, Parameter-Wahl)....................... 13
Abbildung 18: Variation des Arbeitspunktes Plot 2 ................................................................................................................................................. 14
Abbildung 19: Variation des Arbeitspunktes Plot 3 (Ströme und Spannungen am FET im zeitlichen Verlauf) ........................................................ 14
Abbildung 20: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Schaltung ............................................................................................................................... 15
Abbildung 21: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 1 ............................................................................................................................ 16
Abbildung 22: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 3 ............................................................................................................................ 16
Abbildung 23: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 2 ............................................................................................................................ 16
Abbildung 24: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 4 ............................................................................................................................ 17
Abbildung 25: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Gleichung 5 ............................................................................................................................ 17
Abbildung 26: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 1 (Ausgangsspektrum, PAE, Übertragungsfunktion, Parameter-Wahl) ........................... 18
Abbildung 27: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 2 (IM Verzerrung 3ter und 4ter Ordnung)....................................................................... 18
Abbildung 28: Eingangsleistung-Variation (2-Tone) Plot 3 ...................................................................................................................................... 18
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