MWT Versuch 3. ADS-Simulation Verstärker F-Betrieb. von. Heinz Schuster

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1 MWT Versuch 3 ADS-Simulation Verstärker F-Betrieb von Heinz Schuster Aachen, den

2 1 VERSUCHSAUSWERTUNG In diesem Versuch werden mit Hilfe der Software Advanced Design System (ADS) Agilent die Spannungen, Stöme und der Leistungswirkungsgrad (PEA),eines Verstärkers im F-Betrieb ermittelt. Ziel des Versuches ist die Benutzung der Software ADS zu erlernen, sowie Verständnis eines Verstärkers im F-Betrieb zu erlangen. 1.1 Schaltungsaufbau Klasse-F Verstärker Ein Klasse-F Verstärker verfügt idealerweise über einen Wirkungsgrad von 100%, weshalb dieser im HF-Bereich häufig Anwendung findet (gerade bei Batterie betriebenen Geräten). Durch eine λ/4 Leitung am Transistor und einen Filter am Ausgang (hier Serienschwingkreis) werden die Oberwellen so reflektiert, dass nur die Grundwelle den Verstärker verlassen kann. Bei der Grundfrequenz wird durch die λ/4 Leitung (siehe Abb. 1.2) der Kurzschluss zu einem Leerlauf transformiert und der Serienschwingkreis lässt das Signal zum Abschlusswiderstand passieren. Bei einer geraden Oberwelle transformiert die λ/4 Leitung nicht und der Ausgang wird kurzgeschlossen. Bei ungeraden Oberwellen, transformiert zwar die Leitung erneut einen Kurzschluss zu einem Leerlauf, jedoch ist die Frequenz bereits hoch genug, um den Schwingkreis zu sperren. Somit wird das Signal reflekiert.

3 Durch dieses Verhalten, werden die ungeraden Oberwellen reflektiert und es bildet sich ein Rechteck ähnliches Spannungssignal am Kollektor, bzw. Drain des Transistors. Damit die reflektierten Leistungen ausgenutzt werden können, wird häufig der B, oder AB-Betrieb des Transistors gewählt und somit der Arbeitspunkt eingestellt. In dieser Schaltung wird ein GaAs-FET-Transistor verwendet. Durch einen Doppelklick auf das Bauteil X3 in Abb. 1.1 gelangt man eine ebene tiefer und kann den Transistor mit der zugehörigen Beschaltung bearbeiten. 1.2 Schaltbild Transistor mit Beschaltung Die Simulation In der Simulation wird zum einen das Harmonic Balance Verfahren angewendet und das Verhalten bis zur neunten Oberwelle zu ermitteln. Zu dem wird die Eingangsleistung mit einer Sweep Funktion geändert. Dieses geschieht in zwei Schritten. In Schritt 1 wird von 10 dbm bis 20 dbm in 2,5 db Schritten simuliert und in Schritt 2 von 21 dbm bis 25 dbm in 1dB Schritten.

4 1.3 Simulationen Als Abschluss dient hier ein leicht induktiver Widerstand mit (4+j4) Ω, welches 5,6 Ω*e j45 entspricht. Die Grundfrequenz wurde mit 850 MHz und die Grundleistung mit 10 dbm gewählt. Die Simulationsergebnisse Anhand der Drain-Spannung des Transistors, lässt sich die durch die Oberwellen hervorgerufene rechteckförmige Spannung erkennen. Verluste 1.4 Drain Spannungs- und Stromverlauf

5 Die unterschiedlichen Spannungslinien, zeigen die unterschiedlichen Simulationsergebnisse bei den Eingangspegeln von 10 dbm bis 25 dbm. Dieses gilt für alle Zeitsignalbilder. Nur an den dunkel blau gefärbten Stellen, entsteht zeitgleich ein Strom und eine Spannungsfall am Transistor, welches Verluste hervorruft. Ist dieses Signal ideal rechteckförmig, hat der Verstärker einen Wirkungsgrad von 100%. Die Gate-Spannung und der Gate-Strom weisen durch die parasitären Effekte eine 90 -Phasenverschiebung auf. Diese deutet auf induktives Gate-Source Verhalten hin. 1.5 Gate Spannungs- und Stromverlauf

6 Im folgenden Bild ist die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom zu erkennen. 1.6 Ausgangsspannung und Ausgangsstrom Diese wurde mit dem Strommesser I_Probe-Iload und der Spannung gegen Masse der Leitung Vload (siehe Abb. 1.1) ermittelt. Durch den Abschlusswiderstand mit Z = (4+j4) Ω = 5,6 Ω*e j45 entsteht hier eine 45 Phasenverschiebung. In der folgenden Tabelle werden bei unterschiedlichen Eingangsleistungen die Ausgangsleistungen der Oberwellen dargestellt. Diese sind auf das Ausgangssignal der Grundwelle normiert. 1.7 Ausgangspegel der Oberwellen

7 Zu erkennen ist, dass die ungeraden Oberwellen einen etwas höheren Pegel, als die geraden Oberwellen aufweisen. Dieses liegt der λ/4-transformation in der nur die geraden Oberwellen kurzgeschlossen werden. In der Harmonic Balance Simulation lässt sich dieses Verhalten besonders gut erkennen. Es werden die Ausgangspegel bis zur neunten Oberwellen für unterschiedliche Eingangspegel ermittelt. 1.8 Harmonic Balance für 10 dbm Eingangsleistung 1.9 Harmonic Balance für 17,5 dbm Eingangsleistung

8 1.10 Harmonic Balance für 25 dbm Eingangsleistung Wie in Abb 1.8, 1.9 und 1.10 zu erkennen ist, steigen ab einer Eingangsleistung von 17 dbm die Pegel der Oberwellen etwas an. Dieses deutet auf einer Übersteuerung hin. Zudem zeigt sich auch hier, eine deutliche Erhöhung der ungeraden Oberwellen. Das Verhalten der Übersteuerung zeigt sich im folgenden Abbild: 1.11 Ein- Ausgangsleistung und PAE Ab 17,5 dbm Eingangsleistung beginnt der Verstärker zu übersteuern und die Verstärkung der Grundwelle sinkt, während die Pegel der Oberwellen ansteigen. Der Leistungswirkungsgrad bleibt jedoch auch im Bereich der Übersteuerung nahezu 25%. Der er sich nach folgender Formel berechnet und die Verstärkung mit zunehmenden Eingangspegel abnimmt und der Stromverbauch des Verstärkers zunimmt, liegt entweder ein Rechenfehler vor, oder als Ausgangsleisung werden alle Oberwellen betrachtet.

9 Beispiel für 25 dbm Eingangsleistung: Folglich schein auch in folgender Grafik der gleiche Fehler vorzuliegen: 1.12 PAE des Verstärkers Die Ausgangsleistung der Grundwelle und der dritten Oberwelle in Abhängigkeit der Eingangsleistung zeigt folgendes Bild: 1.13 Pout in Abh. von Pin Grundfrq. und dritte harmonische Es zeigt sich, dass die Ausgangsleistung der dritten harmonischen Oberwelle etwas am 17 dbm Eingangsleistung überproportional zunimmt.

10 Der aufgenommene Strom des Transistors in Abhängigkeit der Ausgangsleistung zeigt folgendes Bild: 1.14 Stromaufnahme Transistor Der übersteuernde und somit in Kompression arbeitende Verstärker lässt sich sehr gut an den Vorwärts-Transmissionsfaktor (S21) darstellen: 1.15 S21 des Verstärkers Somit wird eine Übersteuerung bereits ab einer Eingangsleistung von 14 dbm erreicht. Durch Verschieben der jeweiligen Marker kann die Kompression direkt ermittelt werden.