Forum: HF, Funk und Felder HF Verstärker < 10 Watt: Wie geht der Entwurf?


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von Hagen (Gast)


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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.

von Pandur S. (jetztnicht)


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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.

von Tobi B. (holz1)


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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

von Hagen (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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?

von Pandur S. (jetztnicht)


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>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.

von Hagen (Gast)


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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?

von Nebeltroll (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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.

von MZA (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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?

von wosnet (Gast)


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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

von Hagen (Gast)


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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.

von wosnet (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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?

von wosnet (Gast)


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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

von Nebeltroll (Gast)


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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 ?

von Hagen (Gast)


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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.

von Hagen (Gast)


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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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