Hallo zusammen Ich lerne zur Zeit den Entwurf von HF-Kleinsignalschaltungen. (Habe u.a. "RF Circuit Design" von Chris Bowick gelesen.) Dazu folgende Frage: Um die maximale Leistung von einer zur nächsten Stufe zu bringen, werden HF-Schaltungen ja meistens mit angepassten Impedanzen entwickelt (Impedanz einer Quelle = komplex-konjugierte Impedanz einer Last). Nun ist mir klar, dass dies nötig ist, um die maximal Leistung zu übertragen. Aber: Was passiert, wenn die Impedanzen NICHT angepasst werden? Mir fallen diese Folgen von Fehlanpassung ein: 1) Leistungsverlust : Nur ein Teil der Leistung der Quelle gelangt zur Last. 2) Reflexion (Leistung): Von der Last wird die nicht aufgenommene Leistung zur Quelle reflektiert. 3) Reflexion (Signalverfälschung): Das reflektierte Signal kann die Signalform verfälschen. Es kann z.B. zum Ringing kommen bei kurzen Impulsen. zu 1): Leistungsverlust kann ein Problem sein, muss aber nicht. Leistungsverlust kann auch tolerierbar oder sogar erwünscht sein (Dämpfung zu grosser Signale). zu 2): Dies scheint für mich eher ein Problem für Leistungsschaltungen zu sein (z.B. Sender), wo evtl. Bauteile zerstört werden. Bei Kleinsignal-Schaltungen ist das wohl kein Problem. zu 3): Dies kann natürlich sehr störend sein. Aber wenn ich Ringing richtig verstehe, ist der Effekt ganz Wesentlich vom Abstand zwischen Quelle und Last abhängig. Wenn die Laufzeit des Signals klein ist im Vergleich zur kleinsten möglichen Anstiegszeit des Signals, stört doch die Reflexion nicht? (Reflektiertes Signal wird vom eigentlichen Signal „überschattet“). Korrekt? Somit sehe ich eigentlich nur Punkt 1) als Nachteil für Kleinsignal-HF-Schaltungen – und auch nur dort, wo wirklich gar keine Leistung verloren gehen darf (z.B. HF-Empfänger-Eingangsschaltung.) Sehe ich diese Punkte richtig? Gibt es weitere Folgen von Impedanz-Fehlanpassung? Andererseits kann Fehlanpassung doch auch Vorteile haben, z.B.: A) Einfachere Schaltung. B) Grössere Stabilität. A) ist offensichtlich. B) Ist mir nicht ganz klar, aber ich meine gelesen zu haben, dass z.B. Transistorverstärker weniger zu Rückkopplungen neigen, wenn sie nicht sowohl am Eingang, wie auch am Ausgang angepasst sind. Falls dazu jemand mehr weiss, würde mich das interessieren. Im Voraus vielen Dank für alle Antworten und Kommentare!
Bei Kleinanlagen (Antennenverstärker, ...) ist das kein Problem. Bei Großanlagen (Sendeendstufen) muss immer ein Dummy-Load mit dem entsprechenden Wellenwiderstand (50 Ohm, 75 Ohm, 240 Ohm) an den Ausgang geschaltet werden. Eine Signalverfälschung ist auch nicht schlimm, weder bei AM noch bei FM. Die Trägerfrequenz ist trotzdem in der Lage die Information zu transportieren.
Selbst im Kleinsignal-Bereich sind pauschale Aussagen zur Relevanz der Anpassung nicht machbar. Gerade im kommerziellen Sektor sind die Punkte Serienstabilität und Reproduzierbarkeit wichtig. Je nach Schaltungstopologie neigen zum Beispiel fehlangepasste Stufen zu vermehrten Parameterstreuungen, das ist nicht gut für die Prozess-Statistik. Weitere Punkte sind etwaige Einflüsse auf Bandbreite, SNR / Empfindlichkeit, Linearität usw. (es gibt heute ein bisschen mehr als simple AM und FM). Anpassung darf man sich im kommerziellen Schaltungsdesign für mittlere und hohe Stückzahlen auch nicht so vorstellen, als dass alles in 50 Ohm-Technik auf 50,00+0,00j Ohm entwickelt wird. Anpassung im GHz-Kleinsignal-Bereich bedeute meist: alles (gemessene) unter |100| Ohm ist super, hoffen wir das es in der Serie so bleibt. ;-) Im klassischen HF-Design gibt es noch einen Punkt, bei dem mit Leistungs-Fehlanpassung gearbeitet wird. Das Stichwort lautet hier: Rauschanpassung.
Matthias G. schrieb: > dass z.B. Transistorverstärker weniger zu Rückkopplungen neigen, wenn > sie nicht sowohl am Eingang, wie auch am Ausgang angepasst sind. Das kann schon sein, weil dann ja die Verstärkung geringer ausfällt. Ralf schrieb: > Signalverfälschung ist auch nicht schlimm Stimmt, wenn man sich das Getöse von FM-Dödelsendern anhört. Aber erzähl das mal den Audio-Freaks oder den Freunden der klassischen Musik :)
Hi, Matthias,
> Was passiert, wenn die Impedanzen NICHT angepasst werden?
REFLEKTION ist die Folge. Ein Teil der Energie der Quelle wird von der
Senke in diese zurück gespiegelt.
Impedanz, Spannung und Strom sind fest miteinander verkoppelt. Ein
Eingang mit der Eingangsimpedanz von 50 Ohm nimmt bei 50 uV genau 1 uA
auf. Sollte die speisende Baugruppe mehr Strom einprägen wollen, dann
kommt der zurück und wir messen auf der Leitung eine VSWR, Voltage
Standing Wave Ratio.
Deshalb - löst Du das Kabel zwischen Senderendstufe und Sendeantenne,
dann ezeugst Du am Kabelende einen Leerlauf, die Enstufe sieht das Kabel
als fast verlustlosen Resonanzkreis und kann deshalb durchbrennen.
Bei Signalketten ist an deren Ende das Verhältnis zwischen Nutzsignal
und Summe der Störsignale wichtig. Zu diesen gehört sowohl das Rauschen,
als auch die Klirrgeräusche durch Intermodulationen.
Folge: Sollte irgendwo in der Kette die Nutzleistung wegen Fehlanpassung
zu sehr absinken, muss sie wieder verstärkt werden - und das Rauschen
des ersten Transistors nach dem Engpass ist nie wieder loszuwerden.
Andererseits - wer zu viel verstärkt, der bekommt Intermodulationen, die
er auch nie wieder los wird.
Folgerung: Immer richig anpassen!
Ciao
Wolfgang Horn
> immer anpassen
???
Für Hochfrequenz mag das gelten, aber im Audiobereich gibt es das so
nicht. Die Impedanz von Verstärkern ist z.B: in der Regel bei einem Ohm
maximal und geringer, oftmals liegt sie bei den 1kHz im Bereich von 0,1
Ohm und das bei Lautsprechern von nominal 4 Ohm und mehr.
Danke für alle Antworten. Um erst mal ein paar Dinge klarzustellen: Es geht mir hier um schmalbandige HF-Schaltungen mit kleiner Leistung (höchstens Milliwatt, eher Mikrowatt). Dass bei Sendern (hohe Leistung) und im Audiobereich (breitbandig) andere Dinge zu beachten sind, ist mir klar. Ebenso verstehe ich, dass es zur Reflexion kommt (siehe erster Beitrag). @Michael: Danke für Deine detaillierte Beschreibung der Auswirkungen insbesondere in der Serienfertigung. Michael F. schrieb: > Weitere Punkte sind etwaige Einflüsse auf Bandbreite, SNR / > Empfindlichkeit, Linearität usw. (es gibt heute ein bisschen mehr als > simple AM und FM). Kannst Du diese Punkte vielleicht noch etwas ausführen? Meine Überlegungen dazu: 1) Bandbreite: inwiefern hängt diese von der Anpassung ab? Ich sehe das eher umgekehrt: Wenn Anpassung erwünscht ist, muss das Anpassungsnetzwerk so ausgelegt werden, dass die Impedanzen auch wirklich über die gesamte Signalbandbreite angepasst sind. Fehlanpassung ist doch dann gleichsam "von selbst" breitbandig. Liege ich hier falsch? 2) SNR / Empfindlichkeit: Natürlich geht an der nicht-angepassten Stelle Leistung des Nutzsignals verloren (-> SNR schlechter als prinzipiell möglich). Gibt es noch andere Effekte, die sich auf das SNR auswirken? 3) Linearität: Inwiefern hängt die Linearität von der Impedanz ab? Wird diese nicht durch die Signalstärke im Vergleich zu den entsprechenden Spezifikationen der Bauteile (z.B. IP3) festgelegt? Bei kleinerer Leistung (infolge Verlusts durch Fehlanpassung) müsste doch dann die folgende Stufe umso linearer arbeiten? Es würde mich interessieren, ob ich bei diesen Punkten falsch liege.
Matthias G. schrieb: > 2) SNR / Empfindlichkeit: Natürlich geht an der nicht-angepassten Stelle > Leistung des Nutzsignals verloren (-> SNR schlechter als prinzipiell > möglich). Eben nicht. Michael F schrieb es schon, dass man für optimales SNR vorsätzlich Fehlanpassung erzeugt: Michael F. schrieb: > Im klassischen HF-Design gibt es noch einen Punkt, bei dem mit > Leistungs-Fehlanpassung gearbeitet wird. > Das Stichwort lautet hier: Rauschanpassung. Die entsprechenden Erläuterungen und Verfahren darfst du dir in Lehrbüchern und Applikationsberichten selbst zusammensuchen. Man sagt, heute könne man solche Literatur auch im Internet finden. Matthias G. schrieb: > 3) Linearität: Inwiefern hängt die Linearität von der Impedanz ab? Mit Linearität sind nicht nur Oberwellen und Intermodulation gemeint, sondern bei den heutigen digitalen Modulationsverfahren, und selbst schon beim alten analogen Fernsehen, spielt die Phasenlinearität eine wichtige Rolle.
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Von welchen Frequenzen und Leiterbahnlängen reden wir hier denn? Also 250 MHz mit "elektrisch kurzer" Freiluftverdrahtung ist zumindest kein Problem. (obiges Bild ist ein Gbit Ethernet Phy + Trafo, dessen Analogsignale (250 Mhz) über ein Analogswitch (provisorisch) geschaltet werden... läuft einwandfrei. Anpassung... drauf gesch****n ;-) . Klar auf die Distanz ist 250 MHz quasi DC...
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Wie ich schon schrieb: Pauschale Aussagen sind nicht möglich.
Wie Hp M. richtig schrieb:
> Mit Linearität sind nicht nur Oberwellen und Intermodulation gemeint, ...
Allgemein bedeutet Fehlanpassung in der Praxis: Komplexe Impedanz, d.h.
(undefinierte) frequenzabhängige Betrags- und Phasengänge.
Wenn der Signalpegel reicht, mag das einem Funkthermometer-FSK-Empfänger
egal sein.
Bei einer 8 MHz breiten 4096-QAM in einem DBV-C Empfänger sollten Pegel-
und Phasegänge des Signals durch irgendwelche (vermeidbaren) komplexen
Impedanzen evtl. nicht noch zusätzlich "strapaziert" werden.
Hi,Audiomann, >> immer anpassen > ??? Verzeih mir, den welligen Gleichstrom in meiner pauschalen Aussage übersehen zu haben. Reflektionen stören erst, wenn (wieder Faustformel) die betroffene Leitung länger ist als Lambda/10. Im Audiobereich kommt das in Heimanwendungen nicht vor. Ciao Wolfgang Horn
Timmo H. schrieb: > Anpassung... drauf gesch****n ;-) . Das ist aber keine Antwort auf die Frage. Wolfgang H. schrieb: > Reflektionen stören erst, wenn (wieder Faustformel) die betroffene > Leitung länger ist als Lambda/10. Für Meßzwecke reden wir lieber von λ/100. Diese Uhrmacherpräzision macht die GHz-Technik ja so teuer.
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Ich hänge mich mit meiner Frage mal an diesen Thread dran: Wie spielt da eigentlich die Quellimpedanz mit rein? Dass die Leitungsimpedanz zu der Impedanz der Last passen muss ist ja klar, aber warum ist die Impedanz der Quelle nicht egal? Bzw. was vernachlässige ich in der Simulation aus dem Anhang? In der ist die Quellimpedanz ja egal. Wenn ich die Quellimpedanz erhöhe kommt natürlich auch weniger Leistung an der Last an.
Wenn ich das richtig sehe, lassen sich obige Punkte wie folgt zusammenfassen: Meine Liste der (unter Umständen) negativen Folgen von Fehlanpassung ist so zu ergänzen: 4) vermehrte Parameterstreuungen 5) Signalverfälschung in Folge von Phasenverschiebung Und diejenige zu den positiven Folgen so: C) Bei korrekter Rauschanpassung: besseres SNR. Eine Frage zur Phasenverschiebung: Ohne jetzt das ganze durch gerechnet zu haben, würde ich erwarten, dass es nur zu einer Phasenverschiebung im durchlaufenden (nicht reflektierten) Signal kommt, wenn eine der beiden Impedanzen einen Imaginärteil ungleich null hat. Trifft das so zu? (Falls zwei reelle, aber ungleiche Impedanzen auf einander folgen, gibt es nur eine durchlaufende Welle ohne Phasenverschiebung und eine reflektierte Welle, die exakt um 180° phasenverschoben ist (deshalb wird sie ja reflektiert).)
Hi, qfn, > Ich hänge mich mit meiner Frage mal an diesen Thread dran: > Wie spielt da eigentlich die Quellimpedanz mit rein? Genauso. Quellimpedanz -> Leitungsimpedanz -> Eingangsimpedanz. > Dass die Leitungsimpedanz zu der Impedanz der Last passen muss ist ja > klar, aber warum ist die Impedanz der Quelle nicht egal? Weil bei Fehlanpassung Quellimpedanz -> Leitungsimpedanz auch schon Leistung reflektiert wird. > Wenn ich die Quellimpedanz erhöhe kommt natürlich auch weniger Leistung > an der Last an. Die Simulation habe ich übersehen, mir genügt die Kenntnis der Naturgesetze.. JEDE Fehlanpassung bewirkt Reflektion und mindert das Verhältnis von Nutz- zu Störsignal. Ciao Wolfgang Horn
Matthias G. schrieb: > Falls zwei reelle, aber ungleiche Impedanzen auf einander folgen, gibt > es nur eine durchlaufende Welle ohne Phasenverschiebung und eine > reflektierte Welle, die exakt um 180° phasenverschoben ist (deshalb wird > sie ja reflektiert Nöö. Ein solcher Phasensprung um 180° tritt nur auf, wenn Z1 > Z2. Im umgekehrten Fall ist die reflektierte Welle in Phase. Auch dann kommt es zu stehenden Wellen auf der Speiseleitung. Die allgemein bekannten Extremfälle, die auch für Resonatoren genutzt werden, dazu sind: Kurzschluss 180°, offenes Ende 0°.
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Audiomann schrieb: >> immer anpassen > ??? > > Für Hochfrequenz mag das gelten, aber im Audiobereich gibt es das so > nicht. Die Impedanz von Verstärkern ist z.B: in der Regel bei einem Ohm > maximal und geringer, oftmals liegt sie bei den 1kHz im Bereich von 0,1 > Ohm und das bei Lautsprechern von nominal 4 Ohm und mehr. Dochdoch, muss man schon. Anpassen muss man immer dann, wenn Leitungseffekte eine merkliche Rolle spielen. Man kann mal sagen, wenn die Leitung sehr viel kürzer als Lambda/4 ist (z.B: Lambda/10) ist Anpassung unsinnig, in dem Fall spielen die ganzen Effekte keine merkliche Rolle mehr. Bei Audio (fmax = 20kHz) ist die Wellenlänge in Kabeln (Annahme: v=0,7c) ungefähr 10000m. Wenn man also über 1000m Hin+Rückleiter kommt (500m) wirds problematisch. Wenn man auf nummer Sicher gehen will, nimmt man Kabel mit <50m. Also Vorsicht: Lange Kabel könnten den Hörgenuss trüben! Bei Längen in Richtung 10km Kabellänge wäre eien Anpassung zwingend, sonst könnte der Verstärker schaden nehmen!
AudioGuru schrieb: > wenn die Leitung sehr viel kürzer als > Lambda/4 ist (z.B: Lambda/10) ist Anpassung unsinnig, in dem Fall > spielen die ganzen Effekte keine merkliche Rolle mehr. Für diese Aussage braucht es aber schon einiges an Gottvertrauen. λ/8 ist sooo viel länger nicht als λ/10 und gehört trotzdem zu den gängigen Transformationsstücken. Wenn eine solche λ/8 Leitung mit einem reinen Wirkwiderstand abgeschlossen wird, dann ist der Betrag der Eingangsimpedanz gleich dem Wellenwiderstand der Leitung. Wenn umgekehrt die λ/8 Leitung mit einer Impedanz abgeschlossen wird, deren Betrag gleich dem Wellenwiderstand der Leitung ist, so ist die Eingangsimpedanz reel. Mit diesem Wissen kann man z.B. durch Wahl einer Microstrip-Leitung geeigneter Breite und der Länge λ/8 die komplexen Eingangs- und Ausgangsimpedanzen eines Transistors auf reelle 50 Ohm bringen. Anders ausgedrückt: Wenn du jemals UKW-Empfänger selbst gebaut hast, glaubst du ernsthaft, dass ein 30cm langer Draht im Tuner wirkungslos bleibt?
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