Fallstudie Anpassung für HF Leistungsverstärker / Home


S-parameter sind nur für Kleinsignalschaltungen eine gute Repräsentation für die elektrischen Eigenschaften. Leistungsverstärker arbeiten typisch sehr nichtlinear und dadurch werden S-parameters z.B. pegelabhängig. Trotzdem kann man sie natürlich als Startwert für weitere Überlegungen verwenden, insbesondere für die Eingangsanpassung. Erheblich kritischer ist die Ausgangsanpassung eines HF-Leistungsverstärkers. Eine Leistungsanpassung basierend auf den Kleinsignal-S-Parametern würde zur größten Kleinsignalverstärkung führen. Für Leistungsverstärker ist jedoch die maximale Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad wesentlich wichtiger. So bleibt die Frage: Welche Ausgangsimpedanz sollte am Ausgang des Verstärker angeschlossen werden um die gewünschte Ausgangsleistung bei guten Wirkungsgrad zu erreichen? Viele Leute gehen ganz praktisch vor und verwenden dazu HF-Impedanztuner um per Hand auf die Suche zu gehen. Das ist sicher ein ganz andere Ansatz als man ihn bei Kleinsignalverstärkern gewöhnt ist! Allerdings sind mit ein wenig Theorie schneller Ergebnisse zu erzielen.

Folgendes Problem sei genauer betrachtet:

Entwickle ein Anpaßnetzwerk für einen DECT Leistungsverstärker. Der 1.9GHz-Standard für drahtlose Telefone erlaubt 24dBm (250mW) an der Antenne. In der Praxis treten einige Verluste zwischen PA und Antenne auf, bedingt durch HF-Filter und-Schalter. Deshalb sollte der Verstärker etwas mehr leisten, z.B. 26dBm. Für den DECT-Standard gibt eine Reihe PA-ICs, z.B. Infineon Silizium-PA PMB6819. Dieser hat eine Gegentaktendstufe und bietet zahlreiche Zusatzfunktionen (integrierte Eingangsanpassung, Power-Ramping usw.). Für diesen Baustein benötigen wir nun eine Anpassung und einen sogenannten BALUN, welcher das Gegentaktsignal auf ein Eintaktsignal (für die Stabantenne) umsetzt..

Die Ausgangsleistung hängt natürlich auch von der Betriebsspannung ab, wegen P=Ueff²/RL), und der höchste Wirkungsgrad (ca. 45%) kann erzielt werden wenn der Verstärker voll in der Kompression arbeitet. Dies ist auch kein Problem, da das DECT-System mit GFSK-Modulation arbeitet (FM-Variante mit konstanter Hüllkurve). Das Datenblatt empfielt eine Versorgung von 2,4V (2 NiCd-Zellen), so daß der früher übliche DC-DC-Konverter entfallen kann. Damit können wir dann die nötige Lastimpedanz RL mit dem AdLab Tool ANPASS ermitteln (Annahme: Die Transistorsättigungsspannung liegt bei ca. 0,2V).

Berechnung der optimalen Lastimpedanz

Bild 1 : Berechnung der optimalen Lastimpedanz RLopt mit ANPASS

Das Ergebniss ist eine reeller Werte für die Impedanz (20W, also 10W pro Seite), was sicher nicht realistisch ist wenn man reale Transistoren einsetzt und zudem Gehäuseinduktivitäten usw. vorhanden sind. ANPASS berechnet vielmehr den Wert für einen idealisierten PA in Klasse-A-Betrieb (Hinweis als Bubblehelp vorhanden. Für einen Klasse-B-Betrieb (höherer Wirkungsgrad) benötigen wir einen etwas höheren Wert, z.B. RLopt 11W. Mit CSERPAR/CSmith aus AdLab können wir die korrekten Werte näherungsweise ermitteln, indem wir die Transistorausgangskapazität (ca. 3pF) hinzufügen, sowie die Gehäuseinduktivität (ca. 0.8nH und eine kleine Gehäusekapazität).

PA-Modellierung mit CSERPAR

Bild 2 : PA-Modellierung mit CSERPAR inklusive Anpassnetzwerk auf 35W. Anmerkung: Der Kondensator am Ende hat eine Serieninduktivität von 0,7nH (typisches SMD-Bauteil).

Was wir nun noch benötigen ist eine Anpaßschaltung vom Gehäusepin zum BALUN-Eingang. Der BALUN soll das differentielle Signal auf ein Eintaktsignal von normalerweise 50W umsetzen. Ein BALUN kann mit dem AdLab/Elekta-Tool ANPASS berechnet werden. Eine offene Frage ist dabei noch die Zwischenimpedanz am BALUN-Eingang. Meist ist es günstig eine mittlere Impedanz auszuwählen, hier z.B. 35W, so daß die Anpassung über das 1.Anpaßnetz und dem BALUN verteilt wird. Dadurch erzielt man oft die höchste Bandbreite und eine geringe Empfindlichkeit bezüglich Bauteiltoleranzen.

BALUN-Design
Bild 3 : BALUN-Dimensionierung mit ANPASS

Die so berechnete Gesamtschaltung stimmt bereits gut mit dem überein, was Infineon im PMB6819-Datenblatt angibt. Natürlich ist bei GHz-Schaltungen immer auch ein Feintuning notwendig, z.B. aufgrund der Modellungenauigkeiten und Bauteilparasitics. Auch ist bei HF-Leistungsverstärkern nicht nur die Grundwellenimpedanz wichtig, sondern auch die bei den Oberwellen (sogenanntes Harmonic Matching). Aber es ist nicht einfach davon bei GHz-Leistungsverstärkern zu profitieren.

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Stand: April 26, 2001.