Projekt wzmacniacza 20W na pasmo 12cm do pracy przec Es'hail-2

[SP6VGX]

 

2.6  Strategia kolejności syntezy obwodów dopasowania i stabilizacji

 

W poprzedniej części przeprowadziliśmy analizę małosygnałową oraz ocenę stabilności. Pozostaje jeszcze odpowiedzieć na pytanie co nam to daje skoro aktualnie nasz matematyczny model tranzystora pracuje w tym momencie niedopasowany (nasze obciążenia 50 Ω).

 

Tutaj chyba nie ma jednoznacznej odpowiedzi i zapewne przyjęte tutaj strategie projektowania wzmacniaczy PA mogą być różne. Jednak przyjęte tutaj podejście już na samym początku dostarcza nam informacje o charakterze i potencjalnych tendencjach do wzbudzeń "gołej" struktury półprzewodnikowej pracującej w systemie 50 Ω. 

 

Mimo że finalnie dojdą do tranzystora układy dopasowania zarówno wejściowe jak i wyjściowe które radykalnie zmienią nam rozkład wielkości S-parametrów oraz impedancje widzianą przez dren i bramkę to już na tym etapie dostajemy informacje jak w tym wypadku o potencjalnych zagrożeniach związanych z wzbudzaniem się układu co pozwoli podjąć nam jakieś kroki zaradcze.

 

 

  2.7 Projektowanie i implementacja obwodu stabilizacji szerokopasmowej

 

Na chwile obecną należy pamiętać że ciągle rozważamy nasz projekt w świecie idealnym i tak samo tutaj do eliminacji problemu użyjemy idealnych elementów skupionych (Lumped Elements). Pozwoli nam to na określenie czysto matematycznej impedancji tłumiącej, niezbędnej do wprowadzenia tranzystora w stan bezwarunkowej stabilności (K > 1).

 

W realnym układzie, a co za tym idzie w dalszych etapach projektowania należy pamiętać że dojdzie nam wpływ na całość wnoszony między innymi przez:

 

• Indukcyjności szeregowe oraz pojemności bocznikujące obudów komponentów dyskretnych
  
• Efekty dyskontynuacji geometrii ścieżek wprowadzane przez trójniki mikropaskowe (Microstrip Tee)
  
• Pasożytnicza indukcyjność przelotek (Via holes) realizujących połączenie kondensatora odcinającego do ekranu masy.
  

 

Teraz jednak nie przejmujmy się jeszcze takimi problemami i spróbujmy sprawdzić czy uda nam się poprawić sytuacje i wyprowadzić nasz tranzystor z obszaru stabilności warunkowej (K < 1) czyli możliwości potencjalnych wzbudzeń.

 

Możemy to spróbować zrobić poprzez dodanie do naszego układu w torze wejściowym tranzystora (na jego bramce) równoległy obwód stratny o charakterze dolnoprzepustowym.

Układ taki będzie składał się z rezystora oraz kondensatora połączonych szeregowo. 

 

Rezystor wprowadzi nam kontrolowane straty odbiciowe, powodując obniżenie dobroci wypadkowej obwodu wejściowego, co powinno przełożyć się na podniesienie współczynnika Rolletta (K). Zadaniem kondensatora będzie izolacja stałoprądowa napięcia polaryzacji bramki (bias Vgs) od potencjału masy przy jednoczesnym zapewnieniu niskiej reaktancji dla sygnałów wielkiej częstotliwości. Kondensator stanowi tutaj dużą impedancję dla niskich częstotliwości, a małą dla wysokich. Dzięki temu układ stabilizujący mocniej bocznikuje (tłumi) sygnał w pożądanym paśmie pracy i okolicach, chroniąc układ przed oscylacjami wysokoczęstotliwościowymi.

 

Tutaj można jeszcze zadać sobie pytanie dlaczego robimy to po stronie bramki czyli wejścia naszego tranzystora. Teoretycznie stabilizację możemy też zrobić po stronie drenu czyli wyjścia naszego tranzystora. Jednak takie podejście spowodowałoby wprowadzenie do obwodu wyjściowego dodatkowych strat które finalnie przełożyłyby się negatywnie na sprawność energetyczną naszego wzmacniacza (PAE), a co za tym idzie mniejszą jego moc.

Wracając do naszego układu stabilizacji pozostaje nam jeszcze wyznaczyć wartości elementów R i C. Tutaj w zasadzie będziemy kierować się następującymi kryteriami:

 

W przypadku rezystora im mniejsza wartość rezystora, tym silniejsze tłumienie i wyższa stabilność (współczynnik K rośnie). Jednak należy pamiętać o tym że zbyt mała wartość drastycznie obniży wzmocnienie wzmacniacza S21 oraz pogorszy dopasowanie wejściowe S11. W przypadku kondensatora natomiast jego reaktancja w paśmie pracy naszego tranzystora powinna być na tyle niska aby pozwolić rezystorowi skutecznie działać.

 

Jak już to wszystko wiemy spróbujmy teraz zbudować układ z tak dodanym rezystorem i kondensatorem:

 

   

 

Jak widać na schemacie dodano tutaj rezystor o wartości 15 Ω oraz kondensator 10 pF. Realnie środowisko ADS pozwala na tzw. "strojenie" - czyli zmianę np. wartości tych elementów i obserwację wykresu. Jednak tutaj to pominiemy. W zasadzie cel tutaj jest bardziej edukacyjny i sprawdzenie czy takim rozwiązaniem poprawimy stabilność naszego tranzystora. Nie czekajmy więc dłużej i uruchamiamy sobie symulację oraz popatrzmy sobie na osiągnięty rezultat:

 

   

 

Jak widać patrząc na nasz wykres oraz markery m3 i m4 współczynnik K jest większy na obu częstotliwościach od jeden, czyli w naszym świecie idealnym rozwiązaliśmy problem potencjalnego ryzyka wzbudzania się. Przy okazji wiemy jak w przyszłości walczyć z takim problemem projektując już finalny układ wejściowy. 

 

Tutaj jedynie mogę dodać wybiegając trochę w przyszłość że układ stabilizacji będzie zrealizowany w realnym wzmacniaczu na PCB wspólnie z linią realizująca zasilanie bias bramki tranzystora... 

 

 

2.8  Symulacja Load Pull -  Czym jest i po co ją robimy ?

 

W klasycznej elektronice uczą nas, że aby wycisnąć z układu maksymalną moc, impedancja źródła musi być idealnie dopasowana do obciążenia (tzw. dopasowanie sprzężone, np. znane wszystkim 50 omów). W tranzystorach mocy RF (takich jak nasz LDMOS) ta zasada przestaje jednak działać.

 

Tranzystor mocy pracuje w zakresie silnie nieliniowym. Oznacza to, że jego optymalne obciążenie zmienia się w zależności od tego, jak mocno go wysterujemy, jak wysokie damy napięcie zasilania i czy zależy nam na maksymalnej mocy wyjściowej (Output Power), czy na najwyższej sprawności (PAE).

 

Wynikiem tej symulacji będą tzw. kontury Load Pull. Dzięki nim dowiemy się jaka impedancja zapewni nam maksymalną moc, a jaka znowu zapewni nam najlepszą sprawność czyli mniej strat wydzielanych przez tranzystor w postaci ciepła. Mając tę wiedzę, możemy dopiero usiąść do projektowania układów które dopasują nam impedancje do naszego tranzystora.

Do przeprowadzenia symulacji Load Pull wykorzystamy kolejne dobrodziejstwo oferowane przez ADS czyli gotowy szablon pozwalający wykonać symulację:

 

   

 

Natomiast tutaj mamy już gotowy schemat symulowanego układu z w stawionym modelem naszego tranzystora BLP9G0722-20G. 

 

   

 

W zasadzie po wybraniu symulacji wystarczy jedynie podmienić tranzystor na nasz model oraz określić warunki samej symulacji...

 

Pozostaje nam chyba jeszcze wyjaśnić czym jest symulacja Load Pull (w dosłownym tłumaczeniu "przeciąganie obciążenia"), w zasadzie jest to symulacja polegająca na brutalnej sile:

 

• Podłączamy tranzystor do specjalnego, "wirtualnego" przyrządu pomiarowego (na schemacie: Load_Pull_Instr_ZSweep1)
  
• Symulator zaczyna automatycznie podmieniać wartości impedancji obciążenia (obracając się po całym wykresie Smitha – parametry Z_real i Z_imag)
  
• Dla każdego punktu (w tym przypadku siatka 21x21 punktów) program mierzy, ile wygenerowaliśmy watów mocy i ile prądu "zeżarł" tranzystor
  

 

Ewentualnie jeszcze wyjaśnijmy sobie to co mamy na schemacie aby nawet ci mniej zaawansowani wiedzieli co i jak...
 
"One Tone Load Pull Simulation; output power and PAE found at each fundamental or harmonic load":

• One Tone (Jednotonowa): Testujemy układ czystym, pojedynczym sinusem o jednej częstotliwości (tutaj: RF_Freq = 2,41 GHz), podając na wejście stałą moc (Pavs_dBm = 30, czyli 1 Wat)
  
• Output power and PAE found...: Szukamy dwóch najważniejszych parametrów dla każdego projektanta wzmacniaczy:
  

• • Mocy wyjściowej – czyli ile watów realnie odda wzmacniacz do anteny
    
  • PAE (Power Added Efficiency) – czyli sprawności energetycznej. Informuje nas ona, ile energii z zasilacza (tutaj 28 V) tranzystor zamienił na pożyteczny sygnał radiowy, a ile poszło w gwizdek (czyli zamieniło się w ciepło na radiatorze)
    

• ...at each fundamental or harmonic load: Symulator sprawdza zachowanie tranzystora nie tylko dla częstotliwości podstawowej (Fundamental = 2,41 GHz), ale pozwala też kontrolować impedancję dla wyższych harmonicznych (Harmonic = druga i trzecia wielokrotność, czyli 4,82 GHz i 7,23 GHz). To kluczowe, jeśli w kolejnych krokach chcielibyśmy podkręcić sprawność wzmacniacza (np. projektując wzmacniacz w klasie F lub przesterowanej).
  

Teraz już chyba nie pozostaje nic innego jak uruchomić naszą symulację i zobaczyć jakie będą wyniki - które omówimy w dalszej części...
 

 

2.9 Jak czytać wyniki symulacji Load Pull ?

Po uruchomieniu symulacji otrzymujemy coś takiego:
 
   
 
Skoro symulator przeklikał już za nas setki kombinacji impedancji, czas spojrzeć na efekty. Na pierwszy rzut oka ten ekran (tzw. Data Display w ADS) wygląda jak kokpit samolotu pasażerskiego – mnóstwo cyferek, tabelki i dziwne wykresy. Rozbierzmy to na czynniki pierwsze, żeby każdy zrozumiał, o co tu chodzi.
 
1. Trzy scenariusze, czyli "Wybierz swój priorytet" 

Po lewej stronie symulator wypluł nam gotowe podsumowania dla trzech różnych podejść do projektowania wzmacniacza:
 

• Zielona ramka na górze ("At load that gives maximum power"): To ustawienie dla tych, którzy chcą wycisnąć z tranzystora absolutne maksimum watów. Jeśli dopasujemy wyjście pod ten punkt (Zload = 2,450 - j3,000 Ω), nasz wzmacniacz "wypluje" 45,6 dBm czystej mocy RF (Pdel_dBm_Max). Sprawność energetyczna (PAE) wyniesie wtedy 56,5%.
  
• Zielona ramka na środku ("At load that gives maximum PAE"): To scenariusz "eko" – szukamy punktu, w którym tranzystor najmniej się grzeje. W tym przypadku punkt maksymalnej mocy pokrywa nam się z PAE. Wynika to z sporego sygnału testowego 30dBm który wprowadza tranzystor w stan głębokiego nasycenia (overdrive).
  
• Czerwona ramka na dole ("At load selected by marker m1"): To podgląd parametrów dla dowolnego innego punktu, który sami klikniemy myszką na wykresie (marker m1). Pokazuje nam, jak bardzo "popsujemy" parametry wzmacniacza, jeśli z jakiegoś powodu (np. ograniczeń fizycznych elementów) nie trafimy idealnie w punkt optymalny. Jak widać dla markera m1 moc spada do 35,7 dBm, a sprawność szoruje po dnie (zaledwie 4,3%).
  

2. Wykresy Smitha – Mapa skarbów projektanta RF
 
Na środku widzimy dwa okrągłe Wykresy Smitha. Te kolorowe "jajowate" linie to tzw. kontury (warstwice). Działają dokładnie tak samo jak poziomice na mapie geograficznej – im bliżej środka "szczytu", tym wyższa wartość. 

• Górny Wykres Smitha (Moc i Sprawność): Niebieskie linie to kontury sprawności (PAE), a czerwone to kontury mocy (Power Delivered). Naszym celem jako projektantów jest wycelowanie z impedancją wyjściową w sam środek tych małych okręgów po lewej stronie wykresu. Symulator podaje nam dokładne współrzędne tego "szczytu" (wartości PAE_Z i Pdel_Z na samej górze ekranu wynoszą ok. 2,4 - j3,0 Ω).
  
• Dolny Wykres Smitha (Wzmocnienie i wejście): Pokazuje fioletowe kontury wzmocnienia transduktorowego (Transducer Power Gain). Widzimy, że w punkcie optymalnej mocy nasze wzmocnienie (Gain) wyniesie bezpieczne 15,6 dB. Czarna kropka pokazuje też, jak będzie wyglądał współczynnik odbicia na wejściu tranzystora, jeśli na wyjściu damy obciążenie z markera m1.
  

 
3. Wykresy prostokątne

Po prawej stronie te same "góry i doliny" zostały rozciągnięte na płaskiej siatce współrzędnych (real i imaginary części impedancji).

• Górny wykres: Pokazuje idealne "oko cyklonu" dla mocy i PAE. Widzimy że optymalna impedancja obciążenia leży w bardzo wąskim zakresie (część rzeczywista wokół 2,4 Ω, część urojona wokół -3 Ω). To oznacza, że nasz przyszły układ dopasowania wyjściowego musi być zaprojektowany bardzo precyzyjnie – małe przesunięcie i spadamy ze szczytu skuteczności.
  
• Dolny wykres: Pokazuje wzmocnienie. Czerwona kropka to nasz punkt pracy – leży bezpiecznie w obszarze stabilnego, wysokiego wzmocnienia (ok. 15,6 dB).
  

Jak widać ta symulacja dała nam najważniejszą odpowiedź w całym procesie projektowania wzmacniacza: wiemy, co tranzystor chce "widzieć" na swoim wejściu oraz wyjściu. Nasza docelowa impedancja wejściowa (Z_In_at_MaxPower oraz Z_In_at_MaxPAE) to 10,489 - j1,612, natomiast impedancja wyjściowa (Zload_at_MaxPower oraz Zload_at_MaxPAE) to 2,45 - j3,0.
 
Symulacja pokazała nam też że wysterowanie mocą 30dBm wprowadza tranzystor w silną kompresję (około 5-6 dB kompresji), co wyjaśnia dlaczego PAE i moc maksymalna zeszły się w jednym punkcie na wykresie Load Pull. Tranzystor działa wtedy bardziej jak klucz (klasa C/F) niż wzmacniacz liniowy AB.

Jak widać mamy w chwili obecnej już jakieś podstawy i może niektórzy nową wiedzę. Dalej to próba poszukania optymalnych warunków pracy tranzystora bo tutaj zarówno opieraliśmy się o prąd spoczynkowy z DS (180mA) oraz jak widać trochę przestrzeliliśmy z wysterowaniem... Mimo wszystko pozwoliło to chyba w miarę przystępny sposób pokazać jakieś podstawy jak zacząć z projektowaniem wzmacniacza. 

Na reszcie postaramy się skupić w następnej części...  
...a właściwie jak znajdę chwilę czasu bo prawdę mówiąc zrobienie opisu na forum zajmuje mi więcej czasu niż się spodziewałem (ehh takie życie)

cdn.

PS 
Tekst piszę trochę na żywioł w zasadzie korzystając tylko z przygotowanych wcześniej symulacji i jakiś drobnych zapisek. Dlatego mogą zdarzać się pewne literówki lub niewielkie błędy merytoryczne które staram się poprawiać (edycja posta) jak tylko je zauważę. Tutaj muszę prosić o wybaczenie gdyż z powodu braku czasu nie ma szans na przygotowanie sobie wcześniej tekstu + zrobienia na spokojnie korekty.