Prüfung von Consumer-HF - beam - Elektronik & Verlag

Design
Klasse-A-Verstärkers gegenüber
dem theoretischen Wert geändert
werden, um eine hohe Effizienz
für verschiedene Ausgangspegel
bei gegebener Speisespannung
zu erzielen. Klasse-A-Verstärker
werden oft dort verwendet,
wo es auf lineare Verstärkung
ankommt, da sich der mittlere
Wert der Gleichspannung nicht
mit dem Ausmaß des Eingangssignals
ändert.
Klasse-B- und Klasse-C-Verstärker
erlauben eine deutlich
höhere Effizienz als Klasse A,
dies ist aber mit einer Verzerrung
verbunden. Die Arbeitsweise in
der Triodenregion sollte vermieden
werden.
Die allen CMOS-Verstärkern in
Klasse A, B und C charakteristische
Gemeinsamkeit ist, dass
man annehmen kann, es handle
sich um eine spannungsgesteuerte
Stromquelle.
Bei D-, E- und F-Verstärker ist
der Arbeitspunkt noch weiter
abgesenkt als beim Klasse-C-
Verstärker. Bei den CMOS-Verstärkern
der Klassen D, E und F
hängt die Operation in der Triodenregion
für optimale Effizienz
aber von der Ausgangsleistung
ab. Diese Verstärker werden oft
als Schaltverstärker (Switching-
Mode) bezeichnet und normalerweise
bei ISM-Sendern/Sendeempfängern
verwendet, da sie
an geringen Betriebsspannungen
eine sehr hohe Effizienz erlauben.
Die Endstufe wird dabei
von einer Großsignal-Impulsfolge
angesteuert, wie in Bild
2 gezeigt.
Stellen Sie sich den Ausgangstransistor
M1 als Widerstand
vor, der mit der Betriebsfrequenz
umgeschaltet wird, wobei ein
bestimmtes Tastverhältnis vorgegeben
ist.
Wie im Bild ersichtlich, kann
der Strom im Ausgangskreis
sehr reich an Harmonischen sein.
Dieser Harmonischen-Inhalt
hängt vom Tastverhältnis und
von der Größe des ansteuernden
Signals ab, weiterhin vom FET-
On-Widerstand und von der an
M1 transformierten Impedanz.
In einem Klasse-D-Verstärker
wird das Tastverhältnis des Eingangssignals
variiert, um die
Ausgangsleistung zu steuern –
ein Vorgang, der auch als Pulsbreitenmodulation
(Pulse-Width
Modulation, PWM) bekannt ist.
Klasse-D-Verstärker nutzt man
oft in modernen Audioapplikationen,
wo die zu verarbeitende
Signalleistung ständig schwankt.
In einem Klasse-E-Verstärker
liegt das Tastverhältnis hingegen
fest. Das Anpassnetzwerk
ist hier auch dafür entworfen, die
Spannung am Drainanschluss zu
minimieren, wenn der Schalter
eingeschaltet ist. Indem man die
Spannung über der Ausgangseinheit
minimiert, während der Ausgang
Strom in die Last liefert,
kann man die Verlustleistung
über der Schaltereinheit minimieren
und somit die gesamte
PA-Effizienz maximieren.
Ein Klasse-F-Verstärker ist
einem Klasse-E-Verstärker
ähnlich. Das Hauptaugenmerk
liegt hier auf den anzupassenden
Impedanzen, also auf dem
Anpassnetzwerk. Dies ist hier
der Weg, um die Effizienz zu
verbessern. Im Allgemeinen sind
die Anpassungsschaltungen für
Klasse-F-Verstärker deswegen
komplexer.
Verstärker im
Switching-Mode
Alle CMOS-ISM-Sender und
Sendeempfänger von Maxim
Bild 3: Vereinfachtes Modell eines Switching-Mode-Verstärkers
haben einen offenen PA-Drainanschluss.
Das Tastverhältnis des
Treibersignals beträgt konstante
25% über den ganzen Bereich
von 300 bis 450 MHz. Der
Benutzer gestaltet das Anpassnetzwerk
gemäß dem gewünschten
Ausgangsleistungspegel, der
Stromentnahme und der Harmonischen-Leistung
(Oberwellen-
Unterdrückung). Dies ermöglicht
es dem Anwender, einen
minimalen Energieverbrauch
zu sichern, während nur das
notwendige Maß an Ausgangsleistung
geliefert wird.
Ein einfaches Modell für einen
entsprechenden Schalt-PA ist
in Bild 3 dargestellt. In dieser
Abbildung ist RSW der On-
Widerstand des FETs, CPA die
wirksame Summe der parasitären
Kapazitäten, CPKG die
Paketkapazität und CBOARD
die Platinenkapazität. Die
Gesamtkapazität kann je nach
IC 2,2 bis 2,6 pF betragen. Der
On-Widerstand beträgt typisch
22 Ohm (Ausnahme MAX7044
11 Ohm). Die typischen Widerstände
gelten für VDD = 2,7 V;
die Platinen-Parasitärkapazität
kann erheblich mit dem Layout
variieren.
Soweit zur Class E- und F-Verstärkertheorie;
die passenden
Typ Funktion On-Widerstand CPA + CPKG + CBOARD MAX1472 ASK Transmitter 22 Ohm 2,2 pF
MAX7044 ASK Transmitter 11 Ohm 2,6 pF
MAX1479 ASK/FSK Transmitter 22 Ohm 2,3 pF
MAX7030 ASK Transceiver 22 Ohm 2,4 pF
MAX7031 FSK Transceiver 22 Ohm 2,4 pF
MAX7032 ASK/FSK Transceiver 22 Ohm 2,4 pF
Netzwerkdesign-Gleichungen
sind gut in der angegebenen Literatur
dokumentiert, auf die der
Leser wegen des zusätzlichen
Hintergrunds verwiesen sei. Dem
Umfang dieser Anwendungsrichtlinie
entsprechend, genügt
es zu sagen, dass erstens Anpassnetzwerk
und Wellenform dafür
zu entwerfen sind, die PA-Effizienz
zu maximieren und dass
zweitens die Höchstleistung auftritt,
wenn die Spannung über der
Schaltung niedrig ist, wenn der
Schalter geschlossen ist.
Switching Mode
Verstärker-
Simulationen
Den Switching-Mode-Verstärker
kann man mit gutem Erfolg
simulieren. In vielen kostengünstigen
ISM-Anwendungen kann
es ja sein, dass der Systemplaner
für das Design nicht viel Zeit zur
Verfügung hat, hohe Flexibilität
und geringe Entwicklungskosten
sind gefragt. Die Simulation
hilft hier, auch bei komplexen
PAs das passende Netzwerk für
Höchstleistung zu optimieren.
Kleine (High-Q), preisgünstige
Antennen sind im Allgemeinen
beim Übertragen gefragt, doch
verlangen die Vorschriften,
Harmonische zu unterdrücken.
Deshalb ist die Harmonischen-
Abschwächung im Netzwerk
extrem wichtig.
Angesichts dieser Fakten analysierten
wir die Schalt-PA unter
der Annahme, dass das Matching
Network so gestaltet wird, dass
die Signalspannung am Ausgang
sehr gut gefiltert und deshalb
sinusförmig ist, wie in Bild 4
angedeutet.
26 hf-praxis 9/2011