Hallo zusammen,
Ich bin gerade daran, mich in die Technik von Kleinsignal-HF-Verstärkern
einzuarbeiten mit dem Ziel, solche später selbst entwerfen zu können.
Ein wesentlicher Bereich beim Entwerfen solcher Verstärker ist ja die
Stabilität. Nun kann man in Büchern, App-Notes, Websites usw. einiges
über die verschiedenen Stabilitätsfaktoren lesen. Was mir aber fehlt,
sind konkrete Werte für diese Faktoren in tatsächlichen Schaltungen.
Ich möchte gerne den Linvill-Faktor C für den Entwurf verwenden. Dieser
sollte <1 sein, damit die Schaltung stabil ist. Aber wie klein wählt man
diesen in der Praxis?
Zum Beispiel wäre wohl C=0.9999 nicht geeignet, da dann die kleinste
Abweichung (wegen Fertigungstoleranzen, Temperaturdrift usw.) zu
Instabilität führt.
Aber ist C=0.9 ausreichend? Oder sollte es besser C=0.5 sein? Oder 0.1?
...
Gibt es hierzu eine bewährte Regel aus der Praxis? Es würde mich
interessieren, was ihr dazu wisst. Beim Googeln und in den Bücher zu
HF-Technik, die ich hier habe, konnte ich nichts finden.
Danke für jede Antwort und Gruss,
HF-Einsteiger
Da C < 1 "unconditionally stable" bedeutet, reicht jede noch so kleine
Abweichung. Das muss aber auch noch bei Abweichungen der
Transistorparameter vom Tabellenwert gelten. Also für die einzelnen
Werte jeweils die nach Datenblatt zugesagten Extremwerte einsetzen
(Abhängigkeiten beachten), die einmal den Zähler kleiner und den Nenner
größer machen, und dann umgekehrt, und dann darf der Wert in beiden
Fällen nicht über 1 sein.
Ist aber vermutlich eine triviale Antwort...
Josef L. schrieb:> Da C < 1 "unconditionally stable" bedeutet, reicht jede noch so kleine> Abweichung. Das muss aber auch noch bei Abweichungen der> Transistorparameter vom Tabellenwert gelten.
Klar. Nur sind Datenblätter von Transistoren leider in den meisten
Fällen nicht sehr informativ, wenn es um HF-Parameter und vor allem um
deren Streuung geht.
Nehmen wir z.B. den BF959 als Beispiel:
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/bf959-d.pdf
Das Datenblatt enthält überhaupt keine Angaben zum Rückwirkungsleitwert
y12, welcher ja der eigentliche Grund für Instabilität ist. Da nicht
jeder einen VNA im Hobbykeller stehen hat, muss man sich auf ein
Spice-Modell verlassen. Wie nahe der reale Transistor an dieses Modell
kommt, kann ich nur raten...
Deshalb die Frage, ob es dazu eine Praxis-Regel gibt?
(ähnlich wie z.B. beim phase margin einer OpAmp-Schaltung)
HF-Einsteiger schrieb:> Das Datenblatt enthält überhaupt keine Angaben zum Rückwirkungsleitwert> y12
Ja, das waren noch Zeiten, in denen das in den Datenblättern stand, zB
AF239_SiemensSemiconductorGroup.pdf
https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/44095/SIEMENS/AF239.html
Heutzutage ist es wichtiger, die Temperaturkurve fürs Lötbad und die
Abmessungen und Anordnung auf dem Reel anzugeben.
Nun kommts ja auch noch darauf an obs ein Selektivverstärker
oder Breitband werden soll.
Nen Selektivverstärker hann man ja neutralisieren.
Ohne Vna wirst Du wohl nur schätzen können, mit
kannst Du deine Schaltung das Design genau auf die
benutzten Teile abstimmen.
Hey, das meine Erfahrungswerte, wenn ich Mist erzähl.
meckert bitte.
mfg
Danke für alle Antworten.
Josef L. schrieb:> Ja, das waren noch Zeiten, in denen das in den Datenblättern stand, zB> AF239_SiemensSemiconductorGroup.pdf> https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/44095/SIEMENS/AF239.html
Dieses Datenblatt ist wirklich erstaunlich ausführlich!
Ich habe mir auch den BF199 angeschaut:
http://pdf.datasheetcatalog.com/datasheet/motorola/BF199.pdf
Da gibt es wenigstens Angaben zur Vorwärtsleitwert y21, aber bei y12
schaut man ebenfalls "in die Röhre".
Lotta . schrieb:> Nun kommts ja auch noch darauf an obs ein Selektivverstärker> oder Breitband werden soll.> Nen Selektivverstärker hann man ja neutralisieren.
Neutralisieren möchte ich lieber vermeiden (bin ja noch Einsteiger) und
dafür sorgen, dass C<1 ist bis hinauf zu Frequenzen, wo der Transistor
ohnehin nicht mehr verstärkt.
Danke für den Link zur NXP App Note. Diese habe ich allerdings auch
bereits gefunden und gelesen.
Ich hätte in den obigen Beiträgen k schreiben sollen (C war ein Fehler
von mir), da ich immer die Stabilität bei gewählten Impedanzen gemeint
habe.
Auf S. 5 dieser App Note ist ja beschrieben, wie man Stabilität
erreichen kann, indem geeignete Ein- und Ausgangsimpedanzen gewählt
werden (Abschnitt: STABILITY WITHOUT FEEDBACK). Die vereinfachten
Vorgehensweisen in den Absätzen (A) und (B) scheinen ja auch praktisch
anwendbar zu sein. Dazu muss ich nun aber einen geeigneten Wert für k in
Gleichung (20) und (21) einsetzen. Dies war der eigentlich Ausgangspunkt
meiner Frage: Soll ich hier k=0.9, oder 0.5, oder 0.1, oder noch tiefer
wählen?
https://books.google.de/books?id=TjQjBgAAQBAJ
nennt ab Seite F6 noch den Rollet-Stab-Faktor K (mit S-Parametern),
schreibt aber auch immer nur > 1 bzw. < 1.
Da kannst du nur einige Transistoren raussuchen für die die Daten im
betrachteten Frequenzbereich (und außerhalb) vorliegen, die Faktoren
ausrechnen und den mit dem optimalsten Wert nehmen. Falls der dann 20€
kostet und vom nächsten, der 10% schlechter ist, aber 100 St. nur 1,79€,
nimm den.
Warnung: Ich bin kein Produzent und habe auch keine Ahnung von BWL!
Das sind verschieden berechnete Faktoren. C muß <1 sein für Stabilität,
k muß >1 sein für Stabilität. Bei den großen Abweichungen heutiger
Beutelware vermute ich k>2. Jedenfalls hatte ich schon einige empfänger,
bei denen die realen Bauteile ihr verstärkungsmaximum nicht bei z.B. 4mA
ausm datenblatt hatten, sondern bei 3mA oder 6mA. Auch die Verstärkung
zwischen den Exemplaren streut. Ich vermute also, daß auch die
restlichen Parameter streuen.
HF-Einsteiger schrieb:> mit dem Ziel, solche später selbst entwerfen zu können
Wenn ich sowas vorhätte (kann sein), dann 1 Exemplar, nicht kommerziell,
und würde auf bewährte Bauteile zurückgreifen wie BFR91, BFR96, BFQ34,
BFT96 oder auch BFW92 usw., die es alle noch gibt oder in meiner
Bastelkiste rumliegen.
Wenn ich das kommerziell als Einzelschaltung diskret aufgebaut machen
sollte, müssten es natürlich modernere Bauteile sein. Und da gibt es
sicher fertige Verstärker für jeden Frequenzbereich und
Verstärkungsfaktor.
Wenn ich Entwickler für solche Chips werden wollte, dann kann man ja die
Y- oder S- oder Z-Parameter nehmen um damit die Transistoren zu
dimensionieren, die da auf dem Chip eingesetzt werden. Das klickt man ja
auch nur am Bildschirm zusammen, so wie Sekretärinnen Standardbriefe
schreiben :-)
Egon D. schrieb:> Common Emitter Feedback Capacitance
kann sein dass das nur der Absolutwert ist? Phasenverschiebung? Je nach
Formel braucht man die offenbar.
Helge schrieb:> Ich vermute also, daß auch die restlichen Parameter> streuen.
Alles streut -- nur nicht gleich stark.
Dass die Steilheit eine ziemlich universelle Größe ist,
die auch relativ wenig streut, ist merkwürdigerweise
recht wenig bekannt.
Auch bei geometrieabhängigen Größen würde ich geringere
Streuung erwarten als bei dotierungsabhängigen. Die
Stromverstärkung ist da gerade ein besonders schlechtes
Beispiel...
Josef L. schrieb:> Egon D. schrieb:>> Common Emitter Feedback Capacitance>> kann sein dass das nur der Absolutwert ist?> Phasenverschiebung? Je nach Formel braucht man die> offenbar.
???
Du sprichst in Rätseln.
Natürlich hat eine Kapazität eine Phasenverschiebung
(zwischen Strom und Spannung).
Es stimmt auch, dass der Realteil des Rückwirkungs-
leitwertes fehlt -- die Kapazität liefert ja nur den
Imaginärteil.
Irgendwo (Tietze/Schenk? Fischer/Schlegel?) meine ich
gelesen zu haben, dass bei Si-Transistoren der Realteil
nicht sehr interessant -- weil sehr klein -- ist. Die
Angabe der Kapazität genügt daher für die Praxis. Kann
leider die Quelle für diese Aussage nicht sicher angeben.
Egon D. schrieb:> Tietze/Schenk
Hab ich als Fotokopie im Keller. Aber "heute" (nacht) nicht mehr...
Ja OK, wenn der Realteil klein ist und man 0 setzen kann, geht das in
allen Formeln, auch wo die komplexen Werte multipliziert werden müssen.
Josef L. schrieb:> Egon D. schrieb:>> Tietze/Schenk>> Hab ich als Fotokopie im Keller. Aber "heute" (nacht)> nicht mehr...>> Ja OK, wenn der Realteil klein ist und man 0 setzen> kann, geht das in allen Formeln, auch wo die komplexen> Werte multipliziert werden müssen.
Falls Du die Quelle meiner kühnen Behauptung findest, wäre
ich für eine Rückmeldung dankbar :)
Ich habe meine Bücher leider nicht im Zugriff...
Egon D. schrieb:> nicht sehr interessant -- weil sehr klein -- ist. Die> Angabe der Kapazität genügt daher für die Praxis.
Das würde aber wirklich erklären, warum nicht immer alle 4 Parameter in
derselben Schreibweise, sondern teils nur als Kapazität angeben sind.
Leider ist wohl oft die fehlende Angabe der Phase der Übeltäter - siehe
Schwingbedingung. Also die lustigen Oszillatorschaltungen, bei denen man
nicht sofort erkennt wo die Rückkopplung ist, weil sie angeblich über
interne Kapazitäten geht - wo man doch was mit 90° gelernt hat??
HF-Einsteiger schrieb:> Ich möchte gerne den Linvill-Faktor C für den Entwurf verwenden. Dieser> sollte <1 sein, damit die Schaltung stabil ist. Aber wie klein wählt man> diesen in der Praxis?
Soweit ich das um diese Uhrzeit noch beurteilen kann, ist die Aussage so
nicht richtig. Der Linvill-Faktor ist der Kehrwert des Rollet-Faktors K,
also K = 1/C. Nun gilt zwar, dass absolute Stabilität K > 1 bzw. C < 1
impliziert. Die Umkehrung gilt aber nicht.
Genauer: Mit S-Parametern ausgedrückt ist
Nun gilt: Das Zweitor ist genau dann unbedingt stabil, wenn K > 1 und Δ
< 1.
Daraus folgt aber nur, dass wenn K < 1 bzw. C > 1, das Zweitor
potentiell instabil ist, nicht aber die Umkehrung. Da hat die oben
zitierte Appnote von Motorola
(https://www.nxp.com/docs/en/application-note/AN215A.pdf) also nicht
ganz Recht, denn sie behauptet, dass bereits K > 1 oder c < 1 unbedingte
Stabilität impliziert. Zumindest kann man das so herauslesen.
Ein besserer und modernerer Stabilitätsfaktor ist der folgende [1]:
Definiere die Größen
Das Δ ist wie oben die Determinante der S-Matrix. Dann ist das Zweitor
genau dann absolut stabil, wenn μ11 > 1 oder mu22 > 1 ist. Außerdem
gilt: falls μ11 > 1, so ist auch μ22 > 1, und umgekehrt. Die μ-Faktoren
haben außerdem eine einfache geometrische Interpretation: μ11 ist der
Abstand von der Mitte des Smith-Diagramms zum nächstgelegenen
Instabilitätsgebiet der Quellimpedanz. Das gleiche gilt für μ22 für die
Lastimpedanz.
> Zum Beispiel wäre wohl C=0.9999 nicht geeignet, da dann die kleinste> Abweichung (wegen Fertigungstoleranzen, Temperaturdrift usw.) zu> Instabilität führt.>> Aber ist C=0.9 ausreichend? Oder sollte es besser C=0.5 sein? Oder 0.1?> ...>> Gibt es hierzu eine bewährte Regel aus der Praxis? Es würde mich> interessieren, was ihr dazu wisst. Beim Googeln und in den Bücher zu> HF-Technik, die ich hier habe, konnte ich nichts finden.
Kann man so nicht sagen. Die μ-Faktoren haben aufgrund der geometrischen
Bedeutung jedenfalls den Vorteil, dass sie sozusagen den Grad der
Stabilität messen. Also je größer, desto besser. Das gilt für K bzw. C
so nicht. Wenn das Ziel ist, dass der Verstärker absolut stabil ist,
musst Du musst eben μ > 1 über den gesamten Frequenz- Temperatur- und
Exemplarstreuungsbereich erreichen.
Brauchst Du denn überhaupt unbedingte Stabilität? Wenn die Stufe nur mit
bekannten Quell- und Lastimpedanzen läuft, ist das nicht unbedingt
nötig. Stichwort Stabilitätskreise.
[1] Edwards, M.L, Sinksy, J.K: A new criterion for linear 2-port
stability using a single geometrically derived parameter. IEEE Trans.
Microwave Theory Tech. 40, 2803–2811 (1992).
Mario H. schrieb:> Der Linvill-Faktor ist der Kehrwert des Rollet-Faktors K,> also K = 1/C.
Wenn ich mir die Formeln (10) und (12) in
https://www.mikrocontroller.net/attachment/537247/Zwischenablage01.gif
ansehe, ist das auch nicht 100% richtig, dort steht bei (10) C der
Realteil des Produkts Y21xY12 im Zähler, bei (12) K aber das komplexe
(?) Produkt im Nenner, während es beim zweiten Summanden jenseits des
Bruchstrichs gerade umgekehrt ist. Da müsste man erstmal nachlesen was
der Unterschied Y mit und ohne Unterstrich ist - das könnte deine
Aussage aber auch bekräftigen.
Guten Sonntag,
Danke für alle Beiträge. Da hab ich ja eine recht eifrige Diskussion
losgetreten!
Mario H. schrieb:> Brauchst Du denn überhaupt unbedingte Stabilität? Wenn die Stufe nur mit> bekannten Quell- und Lastimpedanzen läuft, ist das nicht unbedingt> nötig. Stichwort Stabilitätskreise.
Unbedingte Stabilität habe ich als Ziel bereits aufgegeben. Eigentlich
habe ich immer den Stern'schen k Faktor gemeint, und nicht den
Linvill'schen C. (Entschuldigt bitte die Konfusion.) Ich habe nämlich
mit einigen Transistormodellen in Spice 'rum gespielt und festgestellt,
dass unbedingte Stabilität (C<1) bei tiefen Frequenzen (<100 MHz oder
so), kaum zu erreichen ist.
Deshalb möchte ich nun Eingangs- und Ausgangsimpedanzen benutzen, die
Stabilität über einen möglichst grossen Frequenzbereich sicherstellen
(k>1). Ich hätte vermutet, dass es dazu eine pi-mal-Daumen-Regel gibt,
so in der Art: k>3 hat sich in der Praxis bewährt. Aber das scheint es
nicht zu geben.
Danke für den Hinweis auf die mu-Faktoren. Diese habe ich bis jetzt noch
nicht gekannt.
Josef L. schrieb:> Wenn ich sowas vorhätte (kann sein), dann 1 Exemplar, nicht kommerziell,> und würde auf bewährte Bauteile zurückgreifen wie BFR91, BFR96, BFQ34,> BFT96 oder auch BFW92 usw., die es alle noch gibt oder in meiner> Bastelkiste rumliegen.
Mit Frequenzen im GHz-Bereich möchte ich mich (noch) nicht beschäftigen.
Und bei mir liegen halt einige BF199, BF959 und BF494 rum, die ich gerne
verwendet hätte. Aber wenn das nur möglich ist mit endlosem
trial-and-error oder Vermessen mit einem VNA (den ich nicht habe), dann
werde ich diese wohl lassen, wo sie sind.
