Frage zu Leistung von Klasse F-Verstärker

[Tobias P. (hubertus)]

Hallo allerseits,

ich befasse mich gerade mit Klasse F-Verstärkern. Dazu habe ich eine 
Frage. Ich habe leider in sämtlichen mir zur Verfügung stehenden IEEE 
Papers und Büchern keine brauchbare Antwort gefunden.

Angenommen, man hat einen idealen Klasse F-Verstärker, dann ist doch die 
Spannung am Drain des Transistors rechteckförmig mit Amplitude Vdd. 
Anhand der Fourierreihe findet man, dass die Amplitude der Grundwelle 
somit um Faktor 4/pi grösser ist:

$$\hat{V}_0 = \frac{4\,Vdd}{\pi}$$

Da dies die Amplitude einer Sinusschwingung ist (Grundschwingung), kann 
man den Effektivwert zu

$$V_{0,RMS} = \frac{\hat{V}_0}{\sqrt{2}} = \frac{4\,Vdd}{\pi\,\sqrt{2}}$$

angeben. Die Leistung, welche an die Last abgegeben wird, ist dann

$$P = \frac{V_{0,RMS}^2}{Z} = \frac{8\,Vdd^2}{\pi^2\,Z}$$

wobei Z die Impedanz ist, die der Transistor an seinem Drain sieht. 
Richtig? Das kann ich doch jetzt nach Z umstellen

$$Z = \frac{8\,Vdd^2}{\pi^2\,P}$$

und wenn ich somit eine gewünschte Leistung P an meine 50 Ohm Last 
abgeben möchte, muss der Transistor die Impedanz Z sehen, d.h. man muss 
eine Impedanzanpassung von 50 Ohm auf Z vornehmen.

Kann man das so machen, oder habe ich da einen Denkfehler drin?

Grüsse
Tobias

[Hp M. (nachtmix)]

Tobias P. schrieb:
> d.h. man muss
> eine Impedanzanpassung von 50 Ohm auf Z vornehmen.
>
> Kann man das so machen,

Das macht man bei Endstufen in erster Näherung sogar fast immer so.

Das Problem ist die vom Filter reflektierte Leistung, -im Idealfall nur 
Oberwellen-, und die Phasenlage der zugehörigen Ströme.
Das führt jedenfalls zu einem völlig unterschiedlichen Verlauf von Strom 
und Spannung am Ausgangstransistor.

[Bastler (Gast)]

Schau mal unter Royer-Converter nach.

[Tobias P. (hubertus)]

Hallo,

oh das überrascht mich sehr, das ist ja fast zu einfach um wahr zu 
sein. Denn bei den üblichen Kleinsignalverstärkern bricht man sich ja 
zum Teil fast einen ab, um S22 zu matchen, und so wie es hier aussieht, 
kann ich ja mein Z22 einfach 'wählen'. Erstaunlich!

Ist der Royer Converter ein Klasse F Amp?

[Plasmon (Gast)]

Tobias P. schrieb:
> [...] bricht man sich ja zum Teil fast einen ab, um S22 zu matchen, [...]

Meinst du etwa

> d.h. man muss eine Impedanzanpassung von 50 Ohm auf Z vornehmen

bedeutet was völlig anderes? Du baust damit ein Netzwerk, sodass die 
50-Ohm-Last eine Quelle mit 50 Ohm Innenwiderstand sieht, also ein 
Netzwerk, das S22 zu Null macht.

Oder anders gesagt: Ja, du kannst dein "Z22 einfach wählen", wenn du ein 
Netzwerk nachschaltest, welches "eine Impedanzanpassung von 50 Ohm auf Z 
vornimmt".

[Tobias P. (hubertus)]

Hallo,

bin immer noch mit dem Klasse F Verstärker befasst. Hier ist ein 
interessanter Artikel

http://www.highfrequencyelectronics.com/May11/HFE0511_Grebennikov.pdf

habe mir mal zwei Stück von dem dort benutzten CGH40010 FET besorgt. Die 
Anpassung am Eingang ist mir völlig klar, wie die Funktioniert. In 
Gleichung 6 berechnet der Autor die Impedanz Znet am Drain, mit diesem 
Loading Network. Ich versthe noch immer nicht genau, wie man darauf 
kommt :-) muss Znet an den FET angepasst werden, oder wird Znet so 
gewählt, dass mit der Betriebsspannung und angenommener Rechteckförmiger 
Drainspannung die gewünschte Ausgangsleistung erzielt wird?

[Alexander K. (based)]

Hallo Tobias,

der verlinkte Artikel ist klasse!
Ich bin derzeit an meiner Master Arbeit und soll einen Continuous 
Inverse Class F Verstärker entwerfen und bauen (im ISM Band), zur 
Verfügung steht mir der CGH40010 von Cree/Wolfspeed.

Ich habe da ein gewisses Problem mit deiner Aussage über die 
rechteckförmige Drain-Spannung. In allen Papers konnte ich hierzu nichts 
derartiges finden. Selbst im verlinken Artikel wird in Figure 1 eine 
Gleichspannung dargestellt (Vdd mit den 28 V).
Bei meinen Recherchen wird auch immer von DC-Speisung mittels Bias-Tee 
gesprochen.
Rechteckig wird diese doch eher durch den Schaltvorgang.

Zu deiner Frage mit Znet:
Dieses wird nicht designt um eine Anpassung zum Reflexionsfaktors des 
Transistors zu haben, sondern um eine Terminierung/Durchgang bei den 
Harmonischen zu erzeugen. Siehe dazu die Frequenzabhängigkeit(ideal) in 
Figure 5.
Wie er genau auf diese Formel gekommen ist, kann ich leider nicht 
nachvollziehen.

Würde mich freuen, wenn du weitere Updates zu deinem Projekt posten 
würdest.

[Tobias P. (hubertus)]

Alexander K. schrieb:
> Ich bin derzeit an meiner Master Arbeit und soll einen Continuous
> Inverse Class F Verstärker entwerfen und bauen (im ISM Band), zur
> Verfügung steht mir der CGH40010 von Cree/Wolfspeed.


Yo, geht mir genauso, habe einen Frequenzsynthesizer entworfen und 
gebaut und da soll noch eine 10W Endstufe dazu. Für den Anfang würde ich 
mich auch mit 5W oder so begnügen.


Wegen der Rechteckförmigen Drainspannung: meiner Meinung nach wird diese 
automatisch zum Rechteck, wenn der Transistor als Schalter betrieben 
wird. Was ja eigentlich auch die Idee ist hinter Klasse F. Um dem 
Transistor beim Umschalten zu 'helfen', versucht man die Drainspannung 
möglichst rechteckig zu bekommen.

(Bei Klasse E besteht sie ja aus einzelnen Sinusbögen, der Trick ist da, 
dass die Spannung aufgrund des Einschwingvorgangs beim Schalten selber 
wieder zu 0 abklingt, bevor der Transistor wieder schaltet.)

So habe ich das jedenfalls verstanden.

In welchem ISM-Band bist du unterwegs?

[Alexander K. (based)]

Tobias P. schrieb:
> In welchem ISM-Band bist du unterwegs?

Ich soll den Verstärker um 2.45 Ghz entwerfen.

Wieso hast du dich für Klasse F entschieden? Gehts um möglicht große 
PAE? Klasse A wäre doch sicherlich einfacher zu realisieren.

[Kleiner Hüpfer (Gast)]

Wo und wie teuer kann ein kleiner Hüpfer wie ich den CGH40010 kaufen?

[Tobias P. (hubertus)]

Mouser hat ihn, ich glaube für um die 50$.

[Kleiner Hüpfer (Gast)]

Tobias P. schrieb:
> Mouser hat ihn, ich glaube für um die 50$.

Vielen lieben Dank.
Da muss ein kleiner Hüpfer wie ich lange für sparen.  Ich werde erst mal 
diesem interessanten Thread nur weiter zusehen...

[Tobias P. (hubertus)]

Alexander K. schrieb:
> Tobias P. schrieb:
>> In welchem ISM-Band bist du unterwegs?
>
> Ich soll den Verstärker um 2.45 Ghz entwerfen.
>
> Wieso hast du dich für Klasse F entschieden? Gehts um möglicht große
> PAE? Klasse A wäre doch sicherlich einfacher zu realisieren.

Ich habe ein frequenzmoduliertes CW-Signal und will eine gute PAE 
erreichen, daher dachte ich Klasse F wäre ganz gut dafür ;-)

[Kleiner Hüpfer (Gast)]

Ich habe mich mal durch das PDF Script gekämpft. Der erreichte 
Wirkungsgrad ist aber verdammt nah an Class B. Ein Wirkungsgrad über 95% 
wär mir lieber. Nicht wegen Energiesparen sondern wegen Wärmeeintrag und 
Kühlung...

Habt ihr Praktiker aus der ersten Reihe schon   was neues? Ich warte 
gespannt und drücke Daumen  ;-)

[Bernhard _. (Firma: dl1bg) (bernhard_)]

Bei meinen Tests in F- Konfiguration kam heraus, dass 95 % 
Gesamtwirkungsgrad utopisch sind; am Transistor allein konnte ich das 
erreichen.
Aber: ich hatte gerade mal ein Zehntel deiner Arbeitsfrequenz, bei 2,4 
GHz hätte ich die Parasiten nicht gut genug in den Griff bekommen.
73
Bernhard

[Alexander K. (based)]

Kleiner Hüpfer schrieb:
> Ich habe mich mal durch das PDF Script gekämpft. Der erreichte
> Wirkungsgrad ist aber verdammt nah an Class B. Ein Wirkungsgrad über 95%
> wär mir lieber. Nicht wegen Energiesparen sondern wegen Wärmeeintrag und
> Kühlung...

Also selbst 85% werden in der Praxis nicht erreicht, 95% ist völlig 
unrealistisch. Ein Transistor im Class B Betrieb erreicht theoretisch 
ein max. von 78.5%, dies ist aber in der Praxis genauso realistisch wie 
die 100% des Class F :)

Ich werde hier meine Ergebnisse Posten, wenn ich denn soweit bin, dass 
ich den Verstärker aufgebaut habe.

[Based (Gast)]

Hi,
besser spät als nie :)

Mein aufgebauter Verstärker (mit CGH40010 bei 2.45 GHz) erreicht 73.3% 
Effizienz (71.14% PAE), bei einer Eingangsleistung von 25 dBm und 
Augangsleistung von 40.3 dBm :)

Verwendet habe ich als Grundlage:
https://www.highfrequencyelectronics.com/May11/HFE0511_Grebennikov.pdf

mit dem inversen Klasse-F mit Transmission Lines.

[Tobias P. (hubertus)]

das ist interessant. Zeig doch mal dein Design?
ich habe den CGH40010 nie zum Laufen gekriegt. Oszillieren konnte er, 
ja, aber nicht verstärken :-)

[Alexander K. (based)]

Hallo Tobias,

ich hatte ja auch ziemlich mit dem HEMT zu kämpfen :)

Hier der Aufbau mit Microstrip in AWR: https://i.imgur.com/BpYk4wH.png

Grün ist die Simulation des Package, Orange der Nachbau aus dem Paper, 
Blau die Anpassung (die ist ganz besonders wichtig für den Gain!) und 
als RFC habe ich ein L genommen.

Hier der simulierte Gain und PAE: https://i.imgur.com/I1gsrJ1.png

Simulation im Zeitbereich: https://i.imgur.com/5MthtiP.png

Gemessene Gain(rechts): https://i.imgur.com/xSYsugv.png

Gemessene PAE (rechts): https://i.imgur.com/jSDapZ3.png

Foto von Aufbau: https://i.imgur.com/oJtA3Pp.jpg

Ich habe noch zwei weitere Verstärker gebaut, den Klasse-F nach 
Grabennikov und einen nach http://ieeexplore.ieee.org/document/1629038/

Alle drei funktionieren mehr oder weniger gleich.

Gemessen habe ich über einen R&S Spektrumanalysator, Funktionsgenerator 
(auch R&S) gibts 25 dBm aus, die Strecke + Dämpfungsglied habe ich 
vorher natürlich ordentlich durchgemessen :)

Verbesserungen können aber noch viele dran erfolgen, zum einen den RFC 
als radial stub + lambda/4, Anpassung der harmonischen nach Load Pull im 
Source, Analyse am Netzwerkanalysator etc.

Edit:

Zur Anpassung: ohne die keine Verstärkung, deshalb nochmal S11 im Smith 
und S11/S21 im Rect.

Smith Chart: https://i.imgur.com/4ZwJyq7.png

S-Parameter: https://i.imgur.com/Us9kHqP.png