Aufbau eines Klasse-F Verstärkers in ADS. Praktikum zur Veranstaltung Mikrowellentechnik im WS 2010/11

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1 Aufbau eines Klasse-F Verstärkers in ADS Praktikum zur Veranstaltung Mikrowellentechnik im WS 200/ 6. Januar 20

2 Inhaltsverzeichnis Einführung und Theoretische Dimensionierung 2. Einführung Theoretische Dimensionierung Praktische Optimierung des Verstärkers 4 2. Aufbau des Verstärkers Optimierung des Verstärkers Optimierung des PAE Fazit 8

3 Kapitel Einführung und Theoretische Dimensionierung. Einführung Ziel dieses Praktikums - im Rahmen des Faches Mikrowellentechnik - ist es einen Klasse- F Verstärker mit einem FET bei 900M Hz aufzubauen, zu optimieren und zu evaluieren. Hierbei sei vorweg genommen, dass das Ziel des Praktikums darin liegt das Bewusstsein für Probleme im Bereich der HF Leistungsverstärker zu schaen und deren Funktionsweise zu erklären. Die Optimierung der Verstärkerschaltung anhand einer Kenngröÿe, wie z.b. PAE, ist nicht Hauptziel des Versuches. Als Literatur wird im Folgenden hauptsächlich auf das Script Mikrowellentechnik von H. Heuermann in der Version.0, sowie das Buch Hochfrequenztechnik erschienen im Vieweg+Teubner-Verlag in der 2. Auage eingesetzt..2 Theoretische Dimensionierung Abbildung. zeigt das Prinzipschaltbild eines Klasse-F HF-Verstärkers. Für den Verstärker gelten folgende Rahmenbedingungen: Der Transistor soll bei einer Frequenz von f 0 = 900MHz betrieben werden. Als Transistor wird der PTFA2202M von innion eingesetzt. Dies ist ein 2W FET für den Hochfrequenzbereich. Dieser Transistor ist nicht angepasst. Er kann in einem Frequenzbereich von 700 bis 2200MHz eingesetzt werden. Bei diesem FET handet es sich um einen Anreicherungstyp. Der Verstärker soll sowohl ein- als auch ausgangsseitig an 50Ω angepasst werden. Ziel eines Klasse-F Verstärkers ist es den Transistor entweder vollständig gesperrt, oder vollständig aufgesteuert zu betreiben, da in jedem dieser Arbeitspunkte fast keine Verlustleistung am Transistor erzeugt wird. Hierzu wird der Transistor in einem Arbeitspunkt betrieben, bei dem er sehr stark Oberwellen generiert. Als Arbeitspunkt eignet sich hierfür ein Arbeitspunkt des Typs B oder AB. Ist der Transistor vollständig gesperrt, so ist u C maximal, aber i C = 0. Am Transistor wird somit keine Leistung umgesetzt. Ist der Transistor vollständig durchgeschaltet, so ieÿt i C,max. Hat der Transistor im durchgeschalteten Zustand den Bahnwiderstand R on so stellt sich die Kollektorspannung u C = R on i C,max ein. Da R on typisch klein ist, entsteht hierbei am Transistor ebenfalls wenig Verlustleistung. Lediglich zu den Umschaltzeiten wird am Transistor für kurze Zeit eine höhere Leistung umgesetzt. 2

4 U DC λ / 4 C f f 50Ω Abbildung.: Schaltungskonzept eines Klasse-F Verstärkers Um diese Rechteckspannung am Kollektor des Transistors zu erzeugen, werden die erzeugten Oberwellen geschickt reektiert. Da die Leitung eine elektrische Länge von λ/4 für die Grundwelle H hat, wird der HF-Kurzschluss durch den Kondensator zu einem Leerlauf am Kollektor des Transistors transformiert. Für alle geradzahligen Oberwellen ab der zweiten Oberwelle H 2 hat die Leitung eine elektrische Länge von N λ/2, wodurch der HF-Kurschluss wiederum einen Kurzschlusstransformiert wird und diese Oberwellen somit unterdrückt werden. Für alle ungeradzahligen Oberwellen ab der dritten Oberwelle H 3 hat die Leitung eine elektrische Länge von N λ/2 + λ/4, wodurch diese Oberwellen einen Leerlauf sehen. Um nun am Ausgang lediglich die Grundwelle H als Ausgangssignal zu bekommen muss eine Bandlterung des am Kollektor erzeugten Signales erfolgen. Der für diese Filterung notwendige Bandpass soll im Folgenden als Serienresonator ausgelegt werden. Um diese Serienschaltung aus C A und L A für eine Resonanzfrequenz f 0 = 900MHz zu dimensionieren wird die Kapazität C A mit der aus praktischer Sicht minimalen Gröÿe von C A = 0pF vorgegeben. Dies hat zur Folge, dass sich die Güte des Serienschwingkreises maximiert. Aus der Resonanzbedingung des Schwingkreises ω 0 = CA L A lässt sich die Induktivität L A wie folgt bestimmen: L A = C A (2πf 0 ) 2 Somit ergibt sich L A zu L A = 3, 3nH. Eine Dimensionierung der Leitung ist nicht nötig, da die elektrische Länge der Leitung in der Simulationsumgebung ADS in Grad angegeben werden kann. 3

5 Kapitel 2 Praktische Optimierung des Verstärkers 2. Aufbau des Verstärkers Die praktische Umsetzung des Klasse-F Verstärkers in ADS stellt sich im Detail gegenüber der schematischen Darstellung in Abbildung. komplexer dar. Abbildung 2. zeigt den Aufbau des Verstärkers in ADS. Die dort markierten Baugruppen sollen im Folgenden genauer betrachtet werden. () (3) (4) (2) (8) (6) (7) (5) (9) Abbildung 2.: Praktischer Aufbau des Klasse-F Verstärkers in ADS Die Blöcke () und (2) stellen den DC-Arbeitspunkt des Transistors mit Gate- und Drain-Spannung ein. Die Drainspannung wurde mit U D = 28V auf die maximal zulässige Betriebsspannung des Transistors festgelegt. Die Gate-Spannung liegt mit U G =, 6V unterhalb der Pinch-O-Spannung von U pincho 2, 3V. Der Transistor wird somit im stark nichtlinearen Arbeitsbereich betrieben. Der Kondensator (3), sowie die Leitung (4) stellen den HF-Kurzschluss für gradzahlige Oberwellen, sowie den Leerlauf für ungeradzahlige Oberwellen - wie bereits in der Theorie diskutiert - her. Der Resonator in (5) ist ein Bandpass-Filter mit einer Mittenfrequenz von f (5) 0 = 2π 0pF 3, 27nH = 900MHz. Die Resonatoren (6) und (7) sind zusätzliche Bandsperren für die 3. und 5. Oberwelle und 4

6 sollen die Güte des Rechtecksignals am Drain des Transistors verbesseren. Ihre Resonazfrequenzen liegen bei: f (6) 0 = 2π = 2, 7GHz pf 3, 48nH f (7) 0 = 2π pf, 25nH = 4, 5GHz Die Leitung (8) im Ausgangspfad erzeugt eine zusätzliche Phasendrehung des reektieren Signals und dient somit zur Optimierung des Signals am Drain des Transistors. Der Γ-Transformator in (9) dient zur Impedanzanpassung des Gate an die Quelle. 2.2 Optimierung des Verstärkers Um den Transistor im ersten Schritt in Betrieb nehmen zu können, soll die Anpassung des Einganges in (9) durchgeführt werden. Aus dem Datenblatt des Transistors kann entnommen werden, dass der Transistor bei f = 894MHz eine Eingangsimpedanz von Z S =, 2Ω + j 3, 6Ω hat. Abbildung 2.2 zeigt das sog. Smith Chart Utility aus ADS, mit welchem sich Anpassungen bestimmen lassen. In dieser Abbildung ist gezeigt, dass sich mit einem Γ-Transformator eine Anpassung des Transistors an die Quelle durchführen lässt. Hierbei wurden die in Abbildung 2. gezeigten Werte eingesetzt. Durch den Serien-Kondensator lässt sich zusätzlich eine DC-Entkopplung der Quelle vom Drain des Transistors erreichen. Eine S-Parameter-Simulation ergibt nun die in Abbildung 2.2 gezeigte ein- bzw. ausgangsseitige Anpassung der Schaltung. Aus dieser Abbildung ist ersichtlich, dass die Schaltung mit einem eektiven Eingangswiderstand von Z in = 50Ω (.8 j0.35) nahezu perfekt angepasst ist. Da die Bauteilwerte der Resonatoren bereits durch ihre Resonazfrequenzen gegeben sind, kann an diesen keine weitere Optimierung vorgenommen werden. 5

7 Abbildung 2.2: Ein- und ausgangsseitige Anpassung der Schaltung Abbildung 2.3 zeigt die Signale am Drain des Transistors, sowie das Ausgangssignal des Verstärkers im Zeitbereich. Es ist zu erkennen, dass sich die Form der Drainspannung an ein Rechteck annähert. Im Ausgangssignal ist nahezu nur noch die Grundwelle enthalten. Zur genaueren Analyse kann die Darstellung in Abbildung 2.4 herangezogen werden. Hier sind die selben Spannungen im Frequenzbereich - genauer über dem Index der Harmonischen - dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die geradezahligen Oberwellen am Drain mindestens 50dB unterdrückt sind. Die ungeradzahligen Oberwellen hingegen sind lediglich 20dB bzw. 35dB unterdrückt. Im Ausgangssignal sind alle Oberwellen mindestens 55dB unterdrückt. Abbildung 2.3: Spannungsverlauf am Drain und am Ausgang 2.3 Optimierung des PAE Nachdem nun die Anpassung der Schaltung, sowie das Rechtecksignal am Drain optimiert wurden, soll im nächsten Schritt das PAE der Schaltung optimiert werden. Wird die Schal- 6

8 Abbildung 2.4: Darstellung der Drain- und Ausgangs-Spannung im Frequenzbereich tung ohne die zusätzliche Leitung (8) betrieben, so stellt sich ein P AE von P AE = 30, 25% ein. Durch Ausprobieren lässt sich zeigen, dass sich bei einer zusätzlichen elektrischen Länge von φ = 45 ein P AE von P AE = 5, 8% einstellt. Als letzter Parameter lässt sich nun die Gate-Spannung des Transistors verändern, um eine Optimierung des PAE zu erreichen. Ebenfalls durch Ausprobieren lässt sich hier allerdings zeigen, dass die willkürliche Wahl von U D =, 6V bereits in lokales Optimum darstellt und sich hiermit das PAE nicht weiter verbessern lässt. 7

9 Kapitel 3 Fazit Betrachtet man abschlieÿend das in diesem Versuch erreichte PAE, so stellt man fest, dass dieser mit P AE = 5, 8% weit unterhalb des theoretischen Maximum von annähernd P AE theor. = 00% liegt. Vergleicht man den Verstärker allerdings mit einem klassischen Verstärker von z.b. dem Typ A, so lieÿ sich hier mit wenig Aufwand ein Wirkungsgrad erreichen, der oberhalb des theoretischen Maximums von η A = 50% liegt. Betrachtet man die Verstärkung der Stufe in dem eingestellten Arbeitspunkt, so ergibt sich für eine Eingangsleistung von P in = 27dBm = 0, 5W eine Ausgangsleistung der Grundwelle von Pout H = 4, 2dBm 3, 2W, was einer Verstärkung von G = Pout H P in = 6, 7dB entspricht. 8