Leistun ngsverstärker Aufbau eines HF - Verstärkers der Klasse AB Praktikum Mikrowellentechnik ( MWT) ) Prof. Dr.-Ing. H. Heuermann Fachhochschule Aachenn FB5, Elektrotechnik u. Informationsverarbeitung Master-Studiengang Nachrichtentechnik
Inhalt 1. Einleitung und Motivation... - 3-2. Grundlagen... - 3-3. Aufbau... - 4-3.1. Der Leistungstransistor... - 4-3.2. Schaltung... - 4-3.3. Pinch-Off Spannung... - 5-3.4. Matching des Ein- und Ausgangs... - 6-3.5. Oberwellenverhalten... - 8-4. Fazit... - 8 - - 2 -
1. Einleitung und Motivation Bei diesem Praktikumsversuch soll ein Leistungsverstärker im Hochfrequenzbereich bei 2.4GHz aufgebaut und optimiert werden. Die Optimierung soll nicht in Hinblick auf optimale Anpassung (konjugiert komplexe Anpassung) erfolgen. Vielmehr soll der Leistungsverstärker so ausgelegt werden, dass die maximale Leistung von ca.10w - 12W entnommen werden kann (Leistungsanpassung). 2. Grundlagen Bei Leistungsverstärkern steht eine hohe Ausgangsleistung im Vordergrund und die Spannungsverstärkung spielt eine untergeordnete Rolle. In der Regel liegt die Spannungsverstärkung der Leistungsendstufen in der Größenordnung von Eins. Die Leistungsverstärkung kommt hauptsächlich durch eine Stromverstärkung zustande. Der AB-Leistungsverstärker wird üblicherweise mit 2 komplementären Transistoren aufgebaut, von denen jeder einen Spannungsbereich (positiv oder negativ) Verstärkt. Das liegt daran, dass der Arbeitspunkt der Transistoren im AB-Betrieb kurz oberhalb der Pinch-Off Spannung gelegt wird und so jeder Transistor nur eine Halbwelle des Eingangssignals verstärken kann. - 3 -
3. Aufbau 3.1. Der Leistungstransistor Bei dem eingesetzten Leistungstransistor handelt es sich um den PTFA220121M der Firma INFINION. Dem entsprechenden Datenblatt können folgende Werte entnommen werden: Max. Ausgangsleistung: 12 Watt V DD : 28V 3.2. Schaltung Abbildung 1: Beschaltung des Transistors Aus obiger Abbildung kann die Beschaltung des Transistors entnommen werden. Über die Widerstände R 1, R 2 und die Vdc wird der Arbeitspunkt festgelegt. Die Bauteilee C1 und L bilden den Gamma-Transformator zur eingangsseitigen Anpassung. Die Bauelemente C und L3 dienen zur entsprechendenn ausgangsseitigenn Anpassung - 4 -
3.3 Pinch-Off Spannun ng Abbildung 2: Spannungsverhalten im Pinch-Off Bereich Zur Ermittlung der Pinch-Off Spannung, die nicht von INFINION angegeben wurde, wurde der Arbeitspunkt des Transistors auf 2 V eingestellt und dann schrittweise erhöht. Dabei wurdee Peak-to-Peak Spannung am Ausgang des Transistors gemessen n. Wie in Abbildung 2 zu erkennen, fängt der Arbeitsbereich bei ca. 2.5V an. Da hierr der AB-Betrieb gewünscht ist, wurde die Basis-Emitter-Vorspannung auf 2. 6 V eingestellt. - 5 -
3.4. Matching des Ein- und Ausgangs Abbildung 3: Unangepasster Ein- und Ausgang Abbildung 3 zeigt das Smith Chart der unangepassten Ein- und Ausgänge. Um sie anzupassen, wurdenn ein- und ausgangsseitig Gamma- die Transformatoren verwendet (siehe Abbildung 1). In Abbildung 4 sind Werte für angepassten Ein- und Ausgänge zu sehen. - 6 -
Abbildung 4: Angepasster Ein- und Ausgang Tabelle 1: S-Parameter und PAE derr Schaltung Tabelle 2: Stabilität des Verstärkerss - 7 -
3.5. Oberwellenverhalten Abbildung 5: Das Spektrum der Oberwellen 4. Fazit Der Klasse AB Verstärker stellt einen Kompromiss zwischen energieaufwändiger Klasse-A- und verzerrungsanfälliger Klasse-B-Technik dar. Der Wirkungsgrad ist hier höher als beim reinen r Klasse-A-Betrieb, allerdings treten vermehrt Oberwellen auf, die auch beim Klasse-B-Betrieb zu beobachten sind. - 8 -