Praktikumsbericht ADS - von Prof. Dr.
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Praktikumsbericht Schaltungssimulation in Agilent Advanced Design System am Beispiel einer Class-B Verstärkerschaltung Für: Mikrowellentechnik (Modul 59108 | WS11/12) Janis Köstermann Inhalt Beschreibung der Simulation....................................................................................................... 4 Der Class-B Verstärker............................................................................................................... 5 Beispiel-Simulation ................................................................................................................. 5 Berechnete Größen ............................................................................................................... 16 Fazit ...................................................................................................................................... 18 2 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Grundaufbau des Class-B Verstärkers ........................................................................ 6 Abbildung 2: Ergebnisseite zum ersten Schaltungsaufbau ............................................................... 7 Abbildung 3: Drainströme des ersten und zweiten Mosfets .............................................................. 7 Abbildung 4: Laststrom .............................................................................................................. 8 Abbildung 5: Veränderbarer Parameter ........................................................................................ 8 Abbildung 6: Ausgangsspektren bei unterschiedlicher Parameterwahl ............................................... 9 Abbildung 7: Zweiter Schaltungsaufbau...................................................................................... 10 Abbildung 8: Dritter Schaltungsaufbau ....................................................................................... 11 Abbildung 9: Power Added Efficiency.......................................................................................... 12 Abbildung 10: Ansicht des detaillierteren Levels .......................................................................... 13 Abbildung 11: Gate-Spannung .................................................................................................. 14 Abbildung 12: Ausgangsspektren bei steigender Signalleistung ...................................................... 15 Abbildung 13: IM3 und Rechtecksignal ....................................................................................... 16 Abbildung 14: Übersicht über alle Berechnungsgleichungen........................................................... 17 3 Beschreibung der Simulation Im vorliegenden Praktikum soll die Simulation und Analyse einer elektronischen Schaltung experimentell geübt werden. Hierzu kommt die Software Advanced Design System, kurz ADS, des Herstellers Agilent Technologies zum Einsatz. Bei diesem Softwarepaket handelt es sich um ein sehr umfassendes Programm u.a. zur Analyse, Synthese und Simulation elektronischer Schaltungen wie Filter, Verstärker, Oszillatoren und ganzer Schaltungsgruppen. 4 Der Class-B Verstärker Die Teilnehmer der Veranstaltung bearbeiten jeweils ein eigenes Schaltungsbeispiel. Der vorliegende Bericht behandelt die Beispielschaltung zum Class-B Verstärker. Der Class-B Verstärker, insbesondere in Abgrenzung zu anderen Verstärkerschaltungstypen, wurde in der Veranstaltung Mikrowellentechnik ausführlich besprochen, weshalb hier nur seine grundlegenden Besonderheiten kurz erwähnt werden sollen. Entscheidend zur Einstufung ist der Arbeitspunkt, der beim Class-B Typ im Nulldurchgang liegt. Aussteuerungsrichtung Dies bedingt, die dass Signale eine in positiver gewisse und negativer Schwellspannung überschreiten müssen, da der Halbleiter darunter sperrt. Dadurch ergeben sich in der direkten Umgebung des Arbeitspunktes, also bei kleinen Aussteuerungssignalen, erhebliche sogenannte Übernahmeverzerrungen. Gleichwohl bietet der Class-B Verstärker - aus denselben Gründen - auch Vorzüge; etwa hat er nahezu keinen Ruhestrom und damit eine verschwindend geringe Verlustleistung im nicht ausgesteuerten Fall. Beispiel-Simulation Jedes der im Praktikumsversuch bearbeiteten Schaltungsbeispiele ist in Form einer vorgefertigten Datei im Umfang des Programms bereits enthalten. Neben dem Schaltungsaufbau selbst sind auch zahlreiche Anordnungen zur Simulation und deren Auswertung bereits ausgearbeitet. Im Verlauf des Praktikums sollen die zur Verfügung gestellten Daten analysiert und verstanden und die Beschreibung vom Englischen ins Deutsche übersetzt werden. 5 Abbildung 1: Grundaufbau des Class-B Verstärkers Abbildung 1 zeigt den ersten von drei Aufbauten. Der Verstärker selbst ist mit dem üblichen Symbol als konzentriertes Bauelement dargestellt. Darüber hinaus ist bereits eine komplette Schaltung für eine sinnvolle Simulation angelegt. Eingangsseitig wird die Schaltung gespeist, wie der Überschrift zu entnehmen ist, mit jeweils einer Frequenz und gesweepter Leistung. Außerdem sind die üblichen Koppelkondensatoren, eine Spannungsversorgung und ein Abschlusswiderstand eingefügt. Alle Ströme werden durch die schematisch dargestellten Messgeräte ermittelt und können für die Analyse und weitere Berechnungen genutzt werden. Spannungen werden überall dort erfasst, wo Leitungen einen Bezeichner tragen, so wie etwa "Vload" als Spannung über dem Last- bzw. Abschlusswiderstand. 6 Abbildung 2: Ergebnisseite zum ersten Schaltungsaufbau Abbildung 2 zeigt die Ergebnisansicht zur Auswertung des vorstehenden Aufbaus. Wie leicht ersichtlich ist, sind zahlreiche Informationen tabellarisch und graphisch aufbereitet. Abbildung 3: Drainströme des ersten und zweiten Mosfets Abbildung 3 zeigt die Drainströme der beiden Transistoren. Diese sind naturgemäß jeweils unipolar, da je ein Transistor für eine Halbwelle zuständig 7 ist. Aufgrund der Übernahmeverzerrungen ergeben sich keine reinen Sinushalbwellen. In der Addition ergibt sich wieder ein (relativ) sinuförmiges Gesamtsignal, das über dem Lastwiderstand gemessen werden kann. Abbildung 4: Laststrom Abbildung 5: Veränderbarer Parameter 8 Besonders komfortabel ist die in Abbildung 5 dargestellte Möglichkeit, Parameter zu verändern. So kann etwa eine andere Tonfrequenz gewählt oder gar ein Parameter durch einen graphisch dargestellten Schieberegler beeinflusst werden. In diesem Fall lässt sich die gewünschte Verstärkung einstellen und die resultierende Auswirkung auf die Anteile an Grund- und Oberwellen auf der Ausgangsseite können direkt abgelesen werden. Abbildung 6: Ausgangsspektren bei unterschiedlicher Parameterwahl Abbildung 6 zeigt hier, wie bereits der relativ klein gewählte Regelbereich des Parameter-Schiebers das Ausgangsspektrum beeinflusst. Besonders zu höheren Ordnungen hin ist ein Ansteigen des Oberwellenanteils erkennbar. Grundsätzlich sieht man, dass der Class-B-Verstärker die geradzahligen 9 Oberwellen deutlich stärker abgibt, als die ungeradzahligen, so wie es von einem Transistorverstärker im Gegensatz zum Röhrenverstärker zu erwarten ist. Abbildung 7: Zweiter Schaltungsaufbau 10 Abbildung 8: Dritter Schaltungsaufbau Die in Abbildung 7 und Abbildung 8 gezeigten Schaltungsaufbauten beschäftigen sich insbesondere mit dem Leistungswirkungsgrad. Da dieser deutsche Begriff eher unüblich ist und auch die gängige Abkürzung "PAE" Verwendung finden soll, wurde für den Leistungswirkungsgrad die englische Begrifflichkeit "Power-Added-Efficiency" beibehalten. Die PAE bezieht im Gegensatz zum klassischen Wirkungsgrad nicht nur die Ein- und Ausgangsleistung sondern auch Versorgungsleistung mit ein. Es liegt die Formel PAE=100 x (POutRF–PInRF)/ PDC zugrunde. 11 die Gleichspannungs- Abbildung 9: Power Added Efficiency Abbildung 9 zeigt die Power Added Efficiency graphisch dargestellt in Abhängig der Ausgangsleistung im Grundwellenspektrum. Es ist deutlich ersichtlich, dass beim Class-B-Verstärker für den entscheidenden Leistungsbereich zu größeren Leistungen hin ansteigt. Die Effizienz wird also für kräftigere Aussteuerungen besser. 12 Abbildung 10: Ansicht des detaillierteren Levels Abbildung 10 zeigt die Detailansicht der konzentrierten Verstärkerelements. ADS bietet die Möglichkeit, Gruppen von Bauteilen und Messstellen zu Elementen zusammenzufassen, um eine höhere Übersichtlichkeit zu erhalten. Will man aus einer der vorangehenden Darstellungen schauen, welcher Aufbau sich hinter dem "Verstärker" verbirgt, ist dies jederzeit mit einem Klick auf die durch den Pfeil hervorgehobene Schaltfläche möglich. Die nebenstehende wechselt wieder in die höhere Hierarchieebene. Im gezeigten Beispiel konnte so die Gate-Spannung durch ein Label gekennzeichnet und im folgenden erfasst werden. 13 Abbildung 11: Gate-Spannung Ein weiteres interessantes Ausgangsspektrums in Bild liefert Abhängigkeit die von graphische der Darstellung Signalleistung. Wird des die Signalleistung schrittweise erhöht, erkennt man deutlich den zunehmenden Anteil an Oberwellen, wie aus den folgenden Abbildungen ersichtlich wird. Insbesondere das sinkende IM3 wird hier sehr deutlich. 14 Abbildung 12: Ausgangsspektren bei steigender Signalleistung 15 Abbildung 13: IM3 und Rechtecksignal Abbildung 13 hingegen zeigt, wie bereits zwei signifikante Wellenanteile ausreichen, um ein nahezu rechteckiges Ausgangssignal zu erzeugen. Die rot dargestellte Eingangsspannung ist hierbei ein Sinussignal, blau dargestellt ist das Lastsignal am Ausgang des Verstärkers. Aus der Spektralgrafik ist ersichtlich, dass in dieser Situation bereits die zweifache Oberschwingung mit ca. 50dB keinen großen Anteil zur Signalformung mehr liefert. Berechnete Größen Im vorstehenden Kapitel wurde anhand einiger Beispiel gezeigt, wie direkte Messgrößen ermittelt und diese zur Analyse dargestellt werden können. Die Analysen enthielten darüber hinaus jedoch zahlreiche Größen, die rechnerisch ermittelt werden müssen, da sie keinem simplen Messwert entsprechen. Ein 16 Beispiel hierfür ist die Power Added Efficiency, deren Berechnungsgrundlage dargestellt wurde. Für die umfassenden Analyse- und Ergebnisseiten ist im vorliegenden Projekt eine komplette Gleichungs-Seite vorgesehen. Dort sind alle Berechnungen festgehalten und erläutert. Die Werte können somit auf den Ergebnisseiten dynamisch und an verschiedenen Stellen genutzt werden, ohne die Berechnung mehrfach ausführen zu müssen Übersichtlichkeit einzuschränken. Abbildung 14: Übersicht über alle Berechnungsgleichungen 17 oder die Fazit Die Software ADS bietet allumfassende Möglichkeiten zur Schaltungsanalyse. Bereits der kleine Teil, der im Praktikumsversuch ausgeschöpft werden konnte, hat ein Gefühl dafür vermittelt, wie viel Entwicklungsarbeit mit Hilfe der Software erledigt werden kann, völlig ohne dafür Versuchs- und Messaufbauten zu benötigen. Simulationen und dynamische Messwertanpassungen ermöglichen es, spielerisch verschiedene Szenarien durchzuprobieren. Einige der Werte wären bei einem realen Messaufbau nur sehr schwer oder gar nicht ermittelbar, so dass die Softwaresimulation dem praktischen Versuch hier in mehrerlei Hinsicht überlegen ist. Soll eine bestimmte Schaltung analysiert werden, empfiehlt es sich nachweislich, auf die von Agilent bereitgestellten Beispiele zurückzugreifen. Die sehr umfangreichen Aufbauten sind gut dokumentiert und können nach eigenen Wünschen angepasst werden. Diese Anpassungen werden in vielen Fällen von geringerem Aufwand sein, als eine komplette Schaltung neu anzulegen. 18
