Prüfung von Consumer-HF - beam - Elektronik & Verlag
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Bild 4: Zur Signalform beim Switching-Mode-Verstärkers<br />
Angenommen, der PA wird mit<br />
einem Widerstand RL belastet<br />
und die Ausgangsspannung kann<br />
bis auf 0,1 V nach unten „durchschwingen“,<br />
dann lässt sich die<br />
Effizienz des PAs folgendermaßen<br />
ausdrücken:<br />
Klasse-A-Verstärker. Natürlich<br />
sind hier Wellenform, Schalterwiderstand<br />
und Lastimpedanz<br />
<strong>von</strong>einander abhängig. Daher<br />
kann die Gleichung leider nicht<br />
als genaue Vorhersage Prophet<br />
für die Effizienz in allen Kom-<br />
½ × (V DD – 0,1 V) 2 /RL/V DD 2 /(4 RSW)<br />
× (1 – [V DD – 0,1 V)/ V DD × 2 3/2 /3,14])<br />
Wenn V DD = 3 V, R SW = 22 Ohm<br />
und RL = 400 Ohm betragen,<br />
dann ist die PA-Effizienz 80%<br />
bei einer Ausgangsleistung <strong>von</strong><br />
10,2 dBm. Dies bedeutet ungefähr<br />
60% Leistungssteigerung<br />
im Vergleich zu einem idealen<br />
binationen der genannten Variablen<br />
dienen. Deshalb wurde<br />
SPICE verwendet, um die Leistung<br />
eines idealen Switching-<br />
Mode PAs zu modellieren. Ein<br />
On-Widerstand <strong>von</strong> 11 oder<br />
22 Ohm wird dabei über einen<br />
Bild 5: Simulation für einen idealen Switching-Mode-Verstärker<br />
Parallelschwingkreis (LTANK<br />
liegt <strong>HF</strong>-mäßig ebenfalls an<br />
Masse) mit einem Q-Wert <strong>von</strong><br />
10 gelegt. Dieses Simulationsschema<br />
ist in Bild 5 dargestellt,<br />
während Bild 6 die simulierten<br />
Ergebnisse zeigt. Wie in diesem<br />
Bild erkennbar, ist einer<br />
der bedeutsamsten Vorteile des<br />
Schalter-Modus-PAs, dass die<br />
Ausgangsleistung über einen<br />
breiten Bereich durch Ändern<br />
der an den PA transformierten<br />
Lastwiderstand variiert werden<br />
kann, wobei eine ausgezeichnete<br />
Gleichstrom- bzw. <strong>HF</strong>-Effizienz<br />
erhalten bleibt.<br />
Außerdem kann ein solcher<br />
Verstärker mit einem niedrigen<br />
Schalter-On- Widerstand mehr<br />
Leistung bei höherer Effizienz<br />
liefern als mit einem hohen<br />
On-Widerstand. Der Nachteil<br />
eines niedrigeren Widerstands<br />
ist allerdings, dass ein höherer<br />
Lade- und Entladestrom für die<br />
gesamte Parasitärkapazität benötigt<br />
wird.<br />
Wie bei einer störungsarmen<br />
Phasenanschnittsteuerung muss<br />
der Schalter bei einem geringen<br />
Augenblickswert der Signalspannung<br />
geschaltet werden.<br />
Dies dient hier aber dazu, die<br />
Effizienz eines Verstärkers zu<br />
maximieren. Für das Beispiel<br />
des getaktetet mit einem Widerstand<br />
belasteten Resonanzkreises<br />
kann dieses Erfordernis<br />
durch Reduzieren des imaginären<br />
Bestandteils der Impedanz<br />
erfüllt werden, welche auf der<br />
Betriebsfrequenz an den PA<br />
transformiert wird.<br />
Wenn das Netzwerk nicht in<br />
Resonanz ist (verstimmt), kann<br />
die Effizienz sich bedeutend<br />
verschlechtern. Bild 7 erläutert<br />
dies anhand eines idealen Schalt-<br />
Mode-Verstärkers für Güten<br />
<strong>von</strong> 5 und 10 des Anpassnetzwerks.<br />
Wie man sieht, erscheint<br />
bei Resonanz ein Versorgungsstrom-Minimum.<br />
Diese Tatsache<br />
kann ausgenutzt werden, um das<br />
Design zu überprüfen oder um<br />
ein gegebenes Anpassnetzwerk<br />
für eine besondere Betriebsfrequenz<br />
zu optimieren. Es sollte<br />
auch bekannt sein dass SPICE-<br />
Simulationen annehmen, dass<br />
sich der Schalterwiderstand<br />
Design<br />
sofort verändert und dass die<br />
Parasitärkapazität nicht geladen<br />
bzw. entladen wird und dass ferner<br />
Impedanzen keine Verluste<br />
verursachen.<br />
Diese Faktoren können die durch<br />
die Simulation proklamierte<br />
Leistung gegenüber der tatsächlich<br />
möglichen vergrößern. Es<br />
wird oft erforderlich sein, mit<br />
einem iterativen Ansatz den PA<br />
zu optimieren, insbesondere die<br />
Lastanpassung.<br />
Zusammenfassung<br />
Zusammenfassend seien die<br />
Highlights und wichtigsten<br />
Merkmale <strong>von</strong> Maxim´s ISM-<br />
Band-Switched-Mode-Verstärkern<br />
aufgeführt:<br />
• Operation in der Triodenregion,<br />
beeinflussbar für optimale<br />
Effizienz und Ausgangsleistung<br />
an niedrigen Speisespannungen<br />
im Gegensatz<br />
zu Klasse-A-, B- und C-Verstärkern,<br />
wo die Operation in<br />
der Triodenregion vermieden<br />
werden soll.<br />
• Alle Maxim-CMOS-ISM-ICs<br />
haben einen offenen PA-Ausgang.<br />
Der Benutzer gestaltet<br />
das passende Netzwerk, das<br />
die gewünschte Ausgangsleistung,<br />
Stromentnahme und Harmonischen-Unterdrückungliefert.<br />
Diese Flexibilität erlaubt<br />
es dem Benutzer, die <strong>HF</strong>-Leistung<br />
zuzuschneidern, um etwa<br />
die Batterielebensdauer beim<br />
Gestalten einer ResourceSmart-Lösung<br />
zu maximieren.<br />
• Um die Effizienz eines solchen<br />
Schaltverstärkers zu maximieren,<br />
muss nahe des Minimums<br />
in der Wellenform eingeschaltet<br />
werden. Die Reduktion<br />
des imaginären Bestandteils<br />
der Lastimpedanz auf der<br />
Betriebsfrequenz rundet die<br />
Optimierung ab. Hierbei sind<br />
die Parasitärkapazitäten <strong>von</strong><br />
Schaltung, Netzwerk und Platine<br />
einzubeziehen.<br />
• Resonanz und Effizienz hängen<br />
auch <strong>von</strong> der PA-Lastimpedanz<br />
ab. Diese ist am Input-<br />
Minimum erkennbar. Dies zu<br />
wissen, ist nützlich, um sicherzustellen,<br />
dass ein gegebenes<br />
Netzwerk für eine spezifische<br />
Last optimiert worden ist.<br />
hf-praxis 9/2011 27
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