University of Applied Sciences FH Aachen FB5 Elektrotechnik und Informationstechnik Mikrowellentechnik Simulation eines Klasse-C-Verstärkers mittels ADS 17. Januar 2011 Lehrgebiet Hoch- und Höchstfrequenztechnik Prof. Dr. Ing H. Heuermann 17. Januar 2011 Anwar Sabah Junan d
Allgemeine Definition eines Verstärkers: Ein Verstärker ist ein Gerät oder eine Baugruppe, die ein eingehendes Signal so verarbeitet, dass Ausgangsspannung, Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung größer sind als die entsprechenden Eingangsgrößen. Verstärker gibt es sowohl für Gleichstrom bzw. Gleichspannung als auch für Wechselstrom bzw. Wechselspannung. Verstärker werden in Hochfrequenzbereich in verschiedene Betriebsarten wie A, AB, B, C etc. unterteilt. Diese unterscheiden sich in der Lage des Arbeitspunktes am Transistor. Der C-Betrieb ist eine nichtlineare Betriebsart, bei der der Transistor gar keine oder eine negative Vorspannung erhält, so dass nur die Spitze einer Halbwelle verstärkt wird. Transistorschaltungen im C-Betrieb werden unter anderem als Hilfsverstärker in Doherty-Leistungsverstärkerschaltungen zur Verbesserung des Wirkungsgrades eingesetzt. Im Rahmen dieses Praktikums wurde ein Transistor von Infineon(PTFA220121M) verwendet, und mit diesem ein Klasse-C-Verstärker bei einer Frequenz von 2.4 GHz realisiert werden. Zur Simulation wird die Software ADS von Agilent verwendet. Folgende Größen sind für die Simulation von Interesse und werden somit auch in dieser Ausarbeitung dargestellt: Spannung und Strom am Transistor Eingangs-und Ausgangsreflexionsfaktor Vor-und Rückwärtstransmissionsfaktor Ausgangsleistung nach Verstärkung Wirkungsgrad sowie PAE (Power Added Efficiency) ADS-Modell Ausgehend von dem Aufbau eines Verstärkers, der in der Vorlesung Mikrowellentechnik beschrieben wurde, war es möglich ein Modell für die Simulation zu entwerfen und mit Hilfe der Zeichenoberfläche der Software ADS zu erstellen. Wie in Abbildung 1 zu sehen ist, besteht das Modell aus drei Netzwerken: Das Netzwerk für die Optimierung der Eingangsanpassung Das Netzwerk für die Einstellung der Vorspannung(V dc ),und somit des Arbeitspunktes Das Netzwerk für die Optimierung der Ausgangsanpassung d
ďďŝůěƶŷő ϭ Dass M Modell des Klasse-C-Verstärkers Um eine Simulation durchführen zu können müssen nach Fertigstellung des Mo odells noch das Simulations-Tool Harmon onic-balance sowie der Frequenzbereich fürr die d SParameter-Berechnung angegeben en werden. Für die Messung der Ströme werde rden entsprechende Messgeräte( I_Prob obe ) in die Schaltung eingebaut. Spannungen en können dargestellt werden, indem d den Leitungen, an welchen man die Spannun ungen untersuchen will, Namen ( Vout, V Vt, Vg etc.) zuweist. Außerdem wird ein Variablenblock( Var ) eingefügt mitit dessen Hilfe Bauteilwerte variiert werden können. kön Für die Berechnung der Leistungen en ( Pt ) und die Wirkungsgrade ( PAE, DCto torf ) werden ebenfalls entsprechende Me Messgeräte erstellt. Simulationsergebnisse Als erste Simulationsergebnisse we werden wie es in Abbildung 2 zu sehen ist, die Ausgangsspannung des Transistors ors Vt, die Gatespannung Vg sowie der Ausgangsstrom I_out im Zeitberei reich dargestellt. ϯ
ďďŝůěƶŷő Ϯ ^ƉĂŶŶƵŶŐ ƵŶĚ ^ƚƌžŵ Ăŵ dƌăŷɛŝɛƚžƌ ^ƉĂŶŶƵŶŐ ƵŶĚ ^ƚƌžŵ Ăŵ dƌăŷɛŝɛƚžƌ In Abbildung 3 sind die Streuparameter ter S11, welcher dem Eingangsreflexionsfaktor ents ntspricht und S22, welcher dem Ausgangsreflexio xionsfaktor entspricht, für den Frequenzbereich von vo 2 GHz bis 3 GHz dargestellt. Die Eingang angsanpassung beträgt-18db bei der Frequenz von on 2.4 GHz und die Ausganganpassung -2.5.5 d db, diese könnte noch optimiert werden. Abbildung 3: Einga gangs- und Ausgangsreflexionsfaktor ϰ
Abbildung 4 zeigt den Vorwärtstransmissionsfaktor (S 21 ) und den Rückwärtstransmissionsfaktor (S 12 ) in einem Frequenzbereich von 2 bis 3 GHz. Abbildung 4 Die Ergebnisse der Leistungen und Wirkungsgrade sind in Abbildung 5 präsentiert. Abbildung 5: Leistungen und Wirkungsgrade Für eine Eingangsleistung(Pein) der Signalquelle von 30 dbm( 1.0 W) wurde nach dem Verstärker eine Ausgangsleistung (Paus) von 11.7 W ( 40 dbm) erreicht. Laut Datenblatt liefert der Transistor eine maximale Ausgangsleistung von 12W. Bei der Simulation wurde die Ausgangsleistung als wichtigstes Kriterium herangezogen. Die aufgenommene Gleichstromleistung(P DC ) wurde auch berechnet und beträgt 21.5 W. Die beide Wirkungsgrade PAE und Ƞ betragen 49.823 % und 54.218 %. Der Unterschied besteht darin, dass in der PAE-Berechnung neben der Gleichstromleistung P DC auch die Eingangsleistung Pein berücksichtigt wird, die dem Verstärker zugeführt wird. Der Wirkungsgrad Ƞ berücksichtigt lediglich die Gleichstromleistung, was dazu führt, dass der PAE-Wert immer schlechter ist als Ƞ. d
Abbildungsverzeichnis Abbildung 1: Das erstellte Modell des Klasse-C-Verstärker... 3 Abbildung 2: Spannung und Strom am Transistor... 4 Abbildung 3: Eingangs_ und Ausgangsreflexionsfaktor.Fehler! Textmarke nicht definiert. Abbildung 4: Transmissionsparameter... 5 Abbildung 5: verschiedene Leistungen und Wirkungsgrade... Fehler! Textmarke nicht definiert. Verwendete Literatur: [1] Hochfrequenztechnik (Lineare Komponenten hochintegrierter Hochfrequenzschaltungen), Holger Heuermann. [2] Vorlesungsskript (Mikrowellentechnik), Prof. Dr.-Ing H. Heuermann. e