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
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.
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.
Angehängte Dateien:
-
Gegentakt.PNG
2,2 KB
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
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
@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)
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
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.
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.
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
@ 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.
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
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.
@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 ?
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.
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.
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
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