Hallo MC, wenn ich einen LNA entwerfe, geht das über die S-Parameter. Da das Signal sehr klein ist, behalten die S-Parameter immer Gültigkeit. Small-Signal eben. Wie aber sieht das bei Verstärkern für den Sendefall aus (Large-Signal)? Bei Mosfets wächst der Strom von Drain zu Source mit der Leistung des Eingangssignals. Dann müssten sich doch die S-Parameter ändern. Trotzdem veröffentlichen viele Hersteller S-Parameter für solche Transistoren. Oder sie veröffentlichen Impedanzen, aber auch die müssten sich doch mit dem Eingangspegel ändern. Das verwirrt mich. Wie geht man, Schritt für Schritt, bei HF Verstärkern für das Design vor? Der Frequenzbereich wäre 300 bis 700 MHz.
Die S-Parameter beschreiben ein lineares System. Bedeutet doppelter Eingang ist auch doppelter Ausgang. Da ein Transistor per se ein nichtlineares Device ist, sind S-Parameter im Betriebspunkt linearisiert.
Hey, schau dir mal das circuit design cookbook 2.0 von Agilent/Keysight an. Vielleicht hilft dir das weiter. http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-1516EN.pdf Chapter 15: Chapter 15: Power Amplifier Design Viele Grüße Tobi
Ja, das ist mir klar. Die Linearisierung ist eine brauchbare Modellierung, solange das Eingangssignal klein ist. Kann ein Verstärker, in den 25dBm reingehen und 38dBm rausgehen, auch mit S-Parametern gerechnet werden? Ändern sich die S-Parameter nicht mit der Eingangsleistung, weil das Eingangssignal eben nicht klein ist.
Tobias A. schrieb: > Hey, > schau dir mal das circuit design cookbook 2.0 von Agilent/Keysight an. > Vielleicht hilft dir das weiter. > > http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5991-1516EN.pdf > > Chapter 15: Chapter 15: Power Amplifier Design > > Viele Grüße > Tobi Habe kein ADS.
Sehe das ich richtig? Agilent wählt einen Arbeitspunkt und sorgt mit Widerständen dafür, dass der AP stabil ist. Das geschieht mit S-Parametern, also nur für Linearisierung. Danach misst Agilent die idealen Impendanzen und passt sie an. Ob das System stabil ist, wenn ich in dem Arbeitspunkt große Eingangssignale habe, interessiert die nicht?
>Ob das System stabil ist, wenn ich in dem Arbeitspunkt große
Eingangssignale habe, interessiert die nicht?
Man setzt einen stabilen Betriebspunkt voraus. Wenn das System mit
Grosssignalen betrieben wird, dh nichtlinear wird, gibt's einfach
Harmonische.
Okay, das macht Sinn. Wenn die Anpassung mit erhöhtem Eingangspegel nicht verloren geht, brauche ich einen stabilen Ausgangspunkt. Wenn Hersteller die Impedanzen veröffentlichen, sprich Z_in und Z_out für eine bestimmte Ausgangsleistung, ist dann ebenfalls sichergestellt, dass der Transistor stabil ist?
Der Transistor ist ein nichtlineares Element, ohne verborgenes Eigenleben. Wenn du die Betriebspunkte zur Verfuegung stellst, verhaelt sich das auch so. Dabei muss man das vom Hersteller vorgegebene Layout beruecksichtigen. Also nichts mit Besserwissen und Steckbrett.
Wenn das mal so einfach wäre. Ich habe von NXP und Toshiba die Datenblätter aller relevanten Transistoren gelesen. Und ich habe die Application Notes dazu gelesen. Und einen Zusammenhang dazwischen herzustellen ist nahezu unmöglich. Wenn ich die Anpassnetzwerke nachsimuliere, kommen völlig andere Impedanzen raus. Da frage ich mich, worauf das eigentlich optimiert ist. Natürlich kann ich die Referenzschaltungen nachbauen. Aber solange ich nicht verstehe, was die da eigentlich gemacht haben, will ich das nicht.
Bei Grossignal-Simulationen wird in ADS mit X-Parametern gearbeitet. Dabei wird das Ausgangssignal in die Grundfrequenz und die entehenden Harmonischen aufgeteilt. Ich habe aber damit noch nie gearbeitet.
Die Frage, die sich mir aber nach wie vor stellt, ist wie abhängig die S-Parameter vom Eingangspegel sind. Wenn ich einen Klasse-A Verstärker habe ist der ja per Definition sehr linear. Wenn ich also bei einem Eingangspegel von 0 die S-Parameter berechne, und dann den Pegel erhöhe, sollten die S-Parameter gleich bleiben, da wir im linearen Bereich bleiben. Ist das richtig?
Beim Leistungsverstärkerentwurf kenne ich das so, dass man per (Großsignal)Simulation (z.B. Load/Pull) den optimalen Lastwiderstand bestimmt, bei dem der Verstärker die gewünschten Eigenschaften hat (z.B. maximale Ausgangsleistung oder maximale Effizienz). Der optimale Lastwiderstand ist in den allermeisten Fällen nicht 50 Ohm (sondern oft deutlich niederohmiger), so dass man am Ausgang ein Transformationsnetzwerk entwirft, dass die 50 Ohm der Last zum optimalen Lastwiderstand transformiert und eventuelle parasitäre Kapazitäten des Transistors bei der Nutzfrequenz wegresoniert. Damit sieht der Transistor den optimalen Lastwiderstand, wenn am Ausgang des Transformationsnetzwerkes 50 Ohm angeschlossen werden, und der Verstärker liefert so die gewünschten Parameter. Typischerweise ist dann am Ausgang keine Leistungsanpassung, das stört aber nicht weiter, da man in typischen Anwendungsfällen keine Leistung in den Ausgang einspeist. Eingangsseitig und ausgangsseitig ändern sich 'Arbeitspunkt' und damit S-Parameter mehr oder weniger stark mit der Aussteuerung. In ADS kann man das über Harmonic Balance simulieren, in Spectre über Periodic Steady State. https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_steady-state_analysis
Wenn ich nun eine Impedanz wähle ausgehend von der Load/Pull-Analyse (oder aus dem Datenblatt, ist ja gleiches Vorgehen), wie kann ich dann gleichzeitig sicherstellen, dass der Verstärker stabil ist? Wenn ich weniger Leistung reingebe könnte er schwingen. Wenn er plötzlich eine Impedanzänderung an der Antenne sieht (z.B. Handfunkgerät) könnte er ebenfalls schwingen. Wie verhindere ich das bei Power Amplifiern? Bei Small-Signal ginge das über den K-Faktor. Aber hier? Das ist mir noch immer unklar. Deswegen würde ich ja gern S-Parameter nutzen.
Man kann über die Periodic-S-Parameter auch einen K-Faktor ausrechnen. Hab ich aber praktisch noch nie verwendet, mir erschließt sich auch die Bedeutung in der realen Welt nicht. Wenn man Load/Pull simulieren kann hat man schon ein Großsignalmodell, dann würde ich zur Stabilitätsuntersuchung einen Breitbandimpuls am Eingang oder an Versorgungsspannung nutzen und transient nachsehen, ob sich das System gutmütig verhält (also alle Einschwingvorgänge schnell abklingen). Ich hatte mal ein Design mit einem Leistungstransistor für 2 GHz gemacht, am längsten hat dabei die (experimentelle!) Stabilisierung gedauert (Widerstände zu Anpassnetzwerken hinzufügen, verschiedene Werte für RF-Block-Kondensatoren ausprobieren etc.). Großsignalmodell gab es keines. In solchen Fällen würde ich auf das Referenzdesign vom Hersteller zurückgreifen.
Hmm, das ist recht unsystematisches Vorgehen. Du scheinst einiges an Erfahrung zu haben. Vielleicht kannst du mir folgende Frage beantworten: Wenn ich z.B. von NXP die aktuellen Transistoren betracht für 4 oder 7 Watt, dann veröffentlicht NXP drei Sachen: 1) Referenzdesigns 2) Impedanzen für feste Ausgangsleistung über die Frequenz 3) S-Parameter für einige Arbeitspunkte Warum veröffentlichen die Hersteller S-Parameter? Offensichtlich sollen sie dem Anwender bei etwas helfen, nur bei was, wenn die S-Parameter bei hohen Pegeln ihre Gültigkeit verlieren? Ist das nicht für lineares Design gedacht, wie man es bei LNAs anwendet?
Ja, hab mich auch schon gefragt was S-Parameter bei einem Leistungstransistor/verstärker für einen Sinn haben. Bleibt ja nur die Vermutung, dass die Änderung über die Aussteuerung eben nicht signifikant ist. Hab ich aber noch nie messtechnisch verifiziert. Dieser Artikel über PA-Entwurf ist ganz gut und auch einigermaßen systematisch geschrieben, vielleicht hilfts Dir weiter: http://ian.r.scott.tripod.com/rf_amp_design.htm
Nochmals. Ein S Parameter ist ein lineares Model. Weshalb soll sich das bei Grosssignal aendern. Deswegen ist ja jeweils auch der 1dB Kompressionspunkt angegeben. Wenn man sich gegen diese Region bewegt, kommen langsam die nichtlinearen Effekte. Oder soll der Verstaerker denn gesaettigt betrieben werden ?
Nein, es soll ein Klasse A Verstärker werden, der einfach so viel Leistung ausgibt, wie es im linearen Bereich eben möglich ist. Idealerweise zwischen 2 und 10 Watt. Es ist ein erster Versuch. Am liebsten würde ich einen AFT05MS004N von NXP nehmen. Dafür gibt es, wie gesagt, ein Referenzdesign, Impedanzen, ADS-Modelle und S-Parameter. Das Referenzdesign will ich nicht nachbauen, weil ich es mathematisch nicht nachvollziehen kann. Wonach wurde optimiert? ADS habe ich nicht. Bleiben also die Impedanzen und die S-Parameter. Nun habe ich mit den S-Parametern ein Design entworfen, wie ich es schon vorher erfolgreich bei LNAs angewendet habe. Ich bin mir aber nach wie vor nicht sicher, ob ich die so erhaltene Schaltung bauen kann und sie funktionieren wird. Diese Unsicherheit besteht freilich immer, aber hier kommt eben hinzu, dass ich S-Parameter verwende, wo 90% der Quellen zu dem Thema sagen, dass das gar nicht ginge. S-Parameter sollten im AP unabhängig vom Eingangssignal gelten, das sehe ich ein. Ich denke, dass NXP das ebenso sieht, da die S-Parameter für einen sehr hohen Drain-Strom von 400 mA bei 7.5 Volt angegeben werden. Load/Pull, X-Parameter und Harmonic-Balance sind nach meinem Dafürhalten Methoden für AB oder C-Verstärker. Durch deren Nichtlinearitäten ist die Frage, ob S-Parameter noch sinnvoll sind, angebracht. Doch in der Literatur ist leider keine eindeutige Antwort zu erhalten, ob das korrekt ist. Sobald die Materie nichtlinear wird, scheint es keine einheitliche Theorie zu geben.
Ich habe beschlossen, den Verstärker mit S-Parametern zu entwerfen. Dafür nehme ich jeweils S-Parameter bei einem AP, in dem viel Strom fließt, davon ausgehend, dass dann der AP besonders linear ist. Ich habe die S-Parameter in QUCS eingelesen und ein Anpassnetzwerk entworfen. Die Verstärkung beim AFT05MS004N ist maximal 23dB, das Arbeitsblatt spricht von 20.9dB. Beim Toshiba Transistor erhalte ich 13dB, das Arbeitsblatt sagt 13.3dB. Auch die berechneten Eingangs- und Ausgangsimpedanzen liegen in der selben Größenordnung. Das stimmt im Moment mich ganz optimistisch, dass das in etwa funktionieren wird, wenigstens bei kleinen Aussteuerungen. Wenn nicht, dann besorge ich mir eben ADS und rechne mit nichtlinearen Modellen. Das werde ich ohnehin tun, aber erst nach diesem Experiment.
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