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.
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.
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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