www.mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Impedanz eines MOSFET Gegentaktverstärkers


Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo und guten Abend,

ich kämpfe derzeit ein wenig mit Impedanzanpassung, um genau zu sein 
möchte ich eine Leistungsanpassung vornehmen und das über eine 
Bandbreite von 2MHz.
Gegeben sei ein Gegentaktverstärker, bestehend aus zwei IRFR110/IRFU110, 
deren Drain über eine 10µH Induktivität (ohmscher Widerstand 
vernachlässigbar klein) an einer Gleichspannungsversorgung hängt.
Die MOSFETs werden mit einem wobbelnden Rechtecksignal angesteuert und 
schalten nun im Gegentakt aber mit der steigenden Frequenz Richtung 
Masse und ich kann eine verstärkte Rechteckspannung abgreifen. Diese 
wird an beiden MOSFET-Ausgängen kapazitiv ausgekoppelt und anschließend 
über ein LC-Konstrukt tiefpassgefiltert, sodass ich ein sinusförmiges 
Signal am Ausgang erhalte.
Nun stellt sich mir die Frage, wie berechnet/ermittelt sich die 
Ausgangsimpedanz einer solchen Anordnung? Lässt sich die Impedanz 
irgendwie messtechnisch erfassen?
Gain-Phase-Analyser (bis 40MHz) und RCL-Meter (bis 30MHz) stehen zur 
Verfügung, allerdings scheue ich mich davor mit einer aktiven Schaltung 
dort dran zu gehen, das gefällt denen bestimmt nicht ;)

Ich hab schon ein wenig im Netz gesucht, aber fündig geworden bin ich 
leider nicht. Ich wäre für eure Unterstützung sehr dankbar.

Beste Grüße, branadic

Autor: Meinereiner (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei welcher Frequenz sollen die 2 MHz Bandbreite anfanngen ? 
Breitbandige Anpassung geht i.A. mit Übertragern recht gut. Die 
Ausgangsimpedanz wird durch Bauteile + Betriebsspannung + notwendige 
Leistung bestimmt. Evtl. mal bei Horowitz/Hill bzw. Tietze/Schenk 
nachlesen.

Autor: Peter (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Solange Du die Ausgangsimpedanz nicht kennst, kannst Du auch kein 
richtig dimensioniertes LC-Filter berechnen+anwenden, bzw das "falsch" 
dimensionierte LC-Filter ändert (transformiert) die effektive 
Ausgangsimpedanz. => Lasse für die Impedanz-Messung das LC-Filter 
vorerst weg, bzw. überücke es.

Für die ohmsche Impedanzmessung mit einfachen Mitteln:

1.) Messe die Leerlauf-Ausgangsspannung Uo ohne 
Last/Abschlusswiderstand,
    z.B. Mit einem Oszilloskop

2.) Probiere verschidene Lastwiderstände Rx aus, bis Du den Wert
    gefunden hast, bei dem Du noch die halbe Leerlauf-Ausgangspannung
    Uo/2 misst. => Dieser Wert Rx @ (Uo/2) entspricht dann der gesuchten
    Ausgangsimpedanz.

Autor: branadic (Gast)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Guten Morgen,

der Frequenzbereich liegt zwischen 7 und 9MHz. Unter Übertragern 
verstehst du einen Trafo oder einen Spartrafo?
Ich habe im Anhang mal ein Schaltbild eines Gegentaktverstärkers 
angehängt. Vielleicht kann der ein oder andere jetzt besser was dazu 
sagen.

Gegeben sei dieser Gegentaktverstärker. Wie berechnet sich nun die 
Ausgangsimpedanz dieses Verstärkers? Kann da irgendeiner von den Profis 
was zu sagen? Dem Datenblatt zum MOSFET kann man leider keine 
S-Parameter entnehmen und leider findet man auch keine im Netz, 
ansonsten hätte ich hier ansetzen können.

Danke für eure Hilfe.

Beste Grüße, branadic

Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Peter,

das Filter ist schon mit dran, der Verstärker ist quasi schon 
vorgegeben.
Den von dir vorgeschlagenen Weg habe ich auch schon versucht und 
verschiedene induktive und kapazitive Lasten angehängt, doch leider 
komme ich so auch nicht richtig vorwärts.

Beste Grüße, branadic

Autor: Peter (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@brandic

>das Filter ist schon mit dran, der Verstärker ist quasi schon
>vorgegeben.
Wer hat, bzw. wie wurde denn das Filter berechnet/dimensioniert, wenn 
die Impedanz unbekannt ist? Meine Meinung: Geht nicht!

>Den von dir vorgeschlagenen Weg habe ich auch schon versucht und
>verschiedene induktive und kapazitive Lasten angehängt, doch leider
>komme ich so auch nicht richtig vorwärts.
Du sollst auch keine induktive oder kapazitive Lasten anschliessen, 
sondern ohmsche Lasten! (und das Filter überbrücken, da es vermutlich 
falsch dimensioniert ist)

Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo Peter,

nein, das Filter ist nicht falsch dimensioniert, der Verstärker ist 
genau so gegeben wie er ist und mein Anliegen ist es nun 
herrauszufinden, welche Impedanz der Verstärker hat.
Da die ursprüngliche Last ein Parallelschwingkreis ist macht es keinen 
Sinn, den Verstärker ohmsch zu belasten.
Ich will den gegebenen Verstärker quasi mit einer anderen Last belasten 
und hätte daher gern gewusst, welche Ausgangsimpedanz der Verstärker 
hat, damit ich meine Last richtig anpassen kann.

Beste Grüße, branadic

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Bei Endstufen gehts es weniger um eine sogenannte Leistungsanpassung,wo 
bei gegebenem Innenwiderstand oder Lastwiderstand die maximale Leistung 
übergeben werden soll.  Sondern die Lastimpedanz sollte so gewählt sein, 
dass bei Vollaussteuerung die zulässige Spannungs- bzw. Stromgrenze des 
Transistors nicht überschritten wird.

Also zunächst muss Uss-max und Iss-max der Schaltung mit den gegeben 
Transistoren ermittelt werden. Uss max / Iss max ist dann der 
Lastwiderstand mit dem die durch die gegebenen Transistoren mögliche 
maximale Ausgangsleistung entsteht, bei der gleichzeitig Strom- bzw 
Spannungbegrenzung eintritt.

Wenn die Grenzwerte der Transistoren nicht erreicht werden, kann die 
Lastimpedanz der Endstufe nahezu beliebig sein. Auch Blindlasten sind 
möglich, solange dabei nicht der maximale Strom, bzw die maximale 
Spannung erreicht werden.

Beispiel ist doch die normale NF-Endstufe : sie hat durch Gegenkopplung 
den Innenwiderstand nahe Null, sie kann durch alle Widerstandswerte 
belastet werden, die größer sind als der beim Entwurf gewählte 
Nenn-Lastwiderstand von z.B. 4 Ohm.
Die Ausgangsspannung ist durch die Betriebsspannung begrenzt, UCE max 
wird nicht erreicht. Imax wird daruch nicht überschritten, dass 4 Ohm 
nicht unterschritten wird.

Autor: Peter (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Was spricht denn dagegen, die Impedanz erst mal ohne Filter zu 
ermitteln? Du kannst das ganze natürlich schon auch mit Filter messen, 
aber dann halt mit der Unsicherheit, dass die Impedanz dadurch 
verfälscht wird. Falls die Schaltung gut dimensioniert ist, müsstest Du 
auch nach dem Filter eine rein ohmsche Ausgangsimpedanz haben. 
(natürlich nur für den Durchlassbereich)

Ein Parallelschwinkreis ist auf seiner Resonanzfrequenz auch rein ohmsch 
(weder induktiv noch kapazitiv) der Widerstand liegt aber je nach Güte 
bei mehreren kOhms...

Ermittle mal die ohmsche Ausgangsimpedanz wie oben beschrieben. Dannach 
kannst Du den erwähnten Schwingkreis beifügen und versuchen ihn so 
abzugleichen, dass du eine maximale Leistung (Spannung) über der Last 
erhällst. Denn damit kompensierst Du eine allfällige induktive oder 
kapazitive Fehlanpassung.

Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo und danke für eure Meinungen.

Vielleicht noch einmal zur Klarstellung:

Die Last ist im Prinzip eine "induktive Antenne", aufgebaut als 
Kombination aus Parallelschwingkreis und Reihenschwingkreis, die aber 
nicht auf den Resonanzstellen sondern unterhalb dieser betrieben wird.
Mit der Antenne wird ein Frequenzbereich durchwobbelt und innerhalb 
dieses Bereiches wirkt die "Antenne" induktiv und weniger als Kapazität, 
was man anhand des Verlaufes der Amplitude über den durchwobbelten 
Bereich sehen kann.

Beste Grüße, branadic

Autor: Jens G. (jensig)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@ peter-neu-ulm (Gast)
Du gehst von einem NF-Verstärker aus - hier geht es aber um 7-9MHz, wo 
üblicherweise 50Ohm und Impedanzanpassung das Maß der Dinge ist.

@ branadic
wenn Du auf Basis der Bauteilwerte einfach die Gasamtimpedanz berechnen 
willst (die die Antenne sozusagen sieht), wirst Du nicht drumherum 
kommen, die Impedanz der Entstufe zu bestimmen. Denn die fließt mit in 
die Gesamtimpedanz ein. Solange die Endstufe in der eigenen Impedanz im 
Bereich 7-9MHz weitgehend frequenzunabhängig ist, solltest Du es so 
machen, wie von Peter vorgeschlagen.

Autor: Meinereiner (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Warum simulierst du den Kram nicht mit SPice ?

Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Warum ich das nicht simuliere?

Okay, hab ich natürlich auch schon probiertund den Schaltplan samt 
ohmscher Verluste (soweit bekannt bei den Spulen) ins LTSpice gebracht.
Transient lässt sich das Teil auch simulieren, aber AC-Analysis geht 
nicht, da kommt nur Lötzinn bei raus.

Transient kann ich die beiden Spannungen am Ausgang abgreifen und 
voneinander abziehen und die scheint auch recht gut mit der Messung 
überein zu stimmen, doch welchen Strom nehme ich, um damit die Impedanz 
des Verstärkers zu bestimmen? Im Leerlauf ist schließlich keine Last 
dran.

Ich kann natürlich jetzt hergehen und solange mit einer Last simulieren, 
bis was gescheites heraus kommt, aber schöner wäre es, wenn sich das 
messtechnisch schnell ermitteln ließe.

Beste Grüße, branadic

Autor: Martin Laabs (mla)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Normalerweise macht man es so, dass man den den Verstärker nicht 
aussteuert (aber trotzdem den Ruhestrom fließen lässt!) und dann mit 
einem Networkanalyser die Impedanz in den Ausgang hinein misst. Das 
macht aber nur unter der Annahme eines Kleinsignalverstärkers, der seine 
Impdanz nicht in Abhängigkeit der Amplitude ändert, Sinn. Alternativ 
schaltet man ein entsprechendes Dämpfungsglied zwischen Ausgang und NWA 
und kalibriert es weg. Das Problem der inheränten linearen S-Parameter 
bleibt aber immer.
Aber der Ansatz ist selbt bei Großsignalverstärkern ganz sinnvoll weil 
man ja nun mal nur eine Impedanz anpassen kann. Der Rest ist dann 
nichtlineare Verzerrung mit der man u.U. leben kann bzw. muss.
Wenn man keinen NWA hat kann man auch alle anderen Varianten von 
Vektorvoltmeter bis Messleitung verwenden ...

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: peter-neu-ulm (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
@jens g

Das mit dem NF-Verstärker ist nur ein Beispiel, dass bei 
Leistungsverstärkern der Lastwiderstand insoweit von Belang ist, dass 
man auf die U-I- Grenzwerte der Endstufen Transistoren Rücksicht nehmen 
muss.

Der Vorgang ist üblicherweise : Die Lastimpedanz ist gegeben. Die 
Transformationsschaltung transformiert diesen auf einen Widerstand, der 
größtmögliche Strom- bzw. Spannungswerte ermöglicht. Also an der 
Aussteuerungsgrenze sowohl Strom- als auch Spannungsbegrenzung , und 
nicht nur eins von beiden.

Dazu ein Zahlenbeispiel mit Röhre EL84 ( Umax 400V , Imax 100 mA )
Der optimale Lastwiderstand für die Röhre ist dann 4 kOhm. Wenn die 4 
Ohm des Lautsprechers durch einen Trafo auf 4kOhm transformiert werden, 
wird dann der maximal mögliche Aussteuerbereich bezüglich Strom und 
Spannung ausgenutzt. Der Innenwiderstand der Röhre selbst hat mit den 4 
kOhm nichts zu tun, die Röhre ist praktisch eine Stromquelle.

Zahlenbeispiel für HF-Transistor Umax 24 V ,Imax 5 A. Bei 4,8 Ohm Last 
wird dann  der mögliche Spannungshub von Null bis zu den Grenzwerten 
voll ausgenutzt. Die Transformation ist dann üblicherweise von 4,8 Ohm 
auf die 50 der HF-Leitung. Auch hier ist der Innenwiderstand des Ts 
recht hoch, er stellt idealerweise eine Stromquelle dar, der reale 
h-Parameter einige 100 Ohm.

Also nochmals: Der Innenwiderstand spielt bei einer Leistungsstufe keine 
Rolle, wichtig ist der optimale Lastwiderstand.

Im gegebenen Schaltbild sind die HF-Mosfets z.B Schalter, abwechselnd 
Null und unendlich, wie soll man da einen Innewiderstand definieren ? da 
kann man doch nur die Frage beantworten: wie wird die Aussteuergrenze 
erreicht ?

Autor: Jens G. (jensig)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Du vergist, daß wir es hier mit einem Filter zw. Endstufen-Ausgang und 
Antenne zu tun haben (selbst die Antenne ist ein Filter, um es so zu 
sehen). Und solche Filter-Dinger wollen nun mal am Aus- UND Eingang ein 
definiertes Z sehen, um eine definierte Filterkurve zu erzielen 
(brauchst Dir nur Filterquarze anschauen, wo genau definiert ist, bei 
welchen Abschlußimpedanzen die richtig funktionieren). Auch ist die 
Gesamtimpedanz davon abhängig, was der Filter am Eingang sieht. Das 
wollte doch der Fragesteller wissen. Er wollte wohl auch die Endstufe 
nicht neu "design'en" - also muß er die so nehmen, wie sie ist.
Das was Du beschreibst, ist ja eher eine frequenzunabhängige 
Betrachtung, wo wir also keine Frequenzabhängigkeiten haben.

Autor: hypergast (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Ausgangsimpedanz der Gegentaktendstufe (die Drains der MOSFETs) 
könnte in erster Näherung (und idealem Übertrager) genau Rdson sein, da 
ja immer einer der beiden MODFET leitet. Falls das nachfolgende Netzwerk 
keine Impedanzanpassung durchführt, sondern "nur" Oberwellen filtert, 
wird das Filternetzwerk auch nur wenig an dieser Impedanz ändern. 
Tatsächlich kommen sicherlich einige ohmsche Verluste in den 
Induktivitäten hinzu.

Im Endeffekt hiesse das allerdings, dass die Endstufe tatsächlich nicht 
mit Impedanzanpassung zu betreiben ist, sondern "nur" bis zur 
Belastungsgrenze, die darunter liegt. Für den konkreten Einsatzfall 
"Ansteuerung eines Schwingkreises" würde das Sinn ergeben, da ansonsten 
(unbeherrschbare?) Wechselwirkungen zwischen Endstufe und Last auftreten 
würden.

Autor: branadic (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

es ist zwar schon ewig her, dennoch möchte ich euch gern die 
Erkenntnisse offerieren die in der Zwischenzeit zu Tage gekommen sind, 
vielleicht hilft es ja jemand anderem irgendwann einmal weiter. Ein Dank 
gilt hier vor allem Paul Harden und seinen großartigen Artikeln.

Zunächst einmal handelt es sich um einen Class E Verstärker. Das 
Ausgangsfilter transformiert die Impedanz des Verstärkers auf die 
gewünschten 50Ω.
Im Unterschied zu dieser Lösung hier übernimmt beim Class D Verstärker 
ein 1:4 Übertrager (10 Windungen bifilar auf einem FT50-43) diese 
Aufgabe, was die Filterdimensionierung deutlich erleichtert (Filter mit 
Zin=50Ω und Zout=50Ω).

Der Class E - Verstärker ist hier als Gegentaktverstärker ausgelegt, 
demzufolge hat er eine differentielle Last von 100Ω (pi mal Daumen plus 
Zeigefinger).
Der IRFR110 ist zwar längst abgekündigt, ist aber durch den IRF510 eins 
zu eins ersetzbar.

Jedem der sich mit der Thematik auseinander setzen möchte sei eine Suche 
nach Paul Harden ans Herz gelegt.

Eine ähnliche Endstufe findet man als Class D Verstärker bspw. im 
Artikel: "Breitbandige QRP-Linearendstufe mit HF-Leistungs-MOSFET".

branadic

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.