Köther, D. + Poppelreuter, W.: Load-Pull-Charakterisierung von Transistoren

<BODY> <H1>www.duv24.net : Köther, D. + Poppelreuter, W.: Load-Pull-Charakterisierung von Transistoren</H1> <P> <BR> [<A href="/">www.duv24.net</A>] [<A href="../index.html">back</A>] </P> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE WIDTH=100% BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=TOP CLASS=detailBereichRedaktion>Bereich > Redaktion > <B><FONT color="#CC3300">Fachbeiträge</FONT></B></TD> <TD ALIGN=right VALIGN=bottom CLASS=detailDatum>06.02.2001</TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailFirma ID=topSpace>IMST GmbH:</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailTitel>Köther, D. + Poppelreuter, W.: Load-Pull-Charakterisierung von Transistoren</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailSubtitel>Bedeutung von Load-Pull-Messungen für den Verstärkerentwurf</TD> <TD VALIGN=top> </TD> <TD VALIGN=top> </TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top> <TABLE BORDER=0 CELLSPACING=0 CELLPADDING=0> <TR> <TD VALIGN=top CLASS=detailContent>Erschienen in TEST KOMPENDIUM 2001, S.92-94<BR>(pdf-Version in toolbox unter "details")<BR><BR>Vorwort<BR><BR>Für den effizienten Einsatz von aktiven Bauelementen wie Transistoren in Schaltungen im Kommunikationsbereich sind umfassende Kenntnisse der Eigenschaften notwendig. Dazu gehört neben der klassischen Beschreibung der Klein-Signal-Eigenschaften auch die Groß-Signal-Charakterisierung. Nur mit solchen Methoden, wie z. B. Load-Pull-Messungen, können die Daten zur Entwicklung von Verstärkern mit hoher Ausgangsleistung und gutem Wirkungsgrad gewonnen werden. Auf Grund dieser Daten können dann die günstigsten Transistoren ausgewählt und die entsprechenden Anpassnetzwerke entworfen werden.<BR><BR>Einleitung<BR><BR>In dem Beitrag wird die Methode als solche sowie deren technische Realisierungen beschrieben. Desweiteren wird die Anwendung derselben an Hand eines praktischen Beispiels demonstriert. Dadurch werden die Designer in die Lage versetzt, die Entwicklung von Verstärkerschaltungen effizient durchzuführen. Die Anforderungen an Sendeendstufen für Mobilfunkanwendungen werden immer härter, da für einen kommerziellen Erfolg neben den direkten technischen Daten auch benutzer-relevante Eigenschaften wie z.B. Dauer des Sendebetriebs von herausragender Bedeutung sind. Zusammen mit steigenden Komplexität der Übertragungssysteme sowie Reduktion der Kosten bedingen eine sehr genaue Kenntnis der Eigenschaften der Transistoren für die Sendeverstärker.<BR>Die wichtigsten Kenngrößen zur Charakterisierung eines Endstufentransistors sind maximale Ausgangsleistung, typischerweise erhält man dann auch das maximale PAE (Wirkungsgrad = Power Added Efficiency), sowie zugehörige Werte wie Last- und Eingangsimpedanz, Verstärkung und DC- Parameter. Alle dieses Werte lassen sich durch Load-Pull-Messungen bestimmen. Bei einer solchen Messung wird der Transistor ausgangsseitig mit einer variablen Last abgeschlossen und die Ausgangsleistung in Abhängigkeit von dieser Lastimpedanz gemessen. Der Beitrag werden die Funktionsweisen von verschiedenen Load-Pull-Systemen erläutert sowie die Interpretation der Ergebnisse für den Entwurf von Leistungsverstärkern.Das klassischen Schaltungsdesign basiert auf der linearen Analyse der Eigenschaften der benutzen Bauteile. Zu diesem Zweck werden entweder Ersatzschaltbilder oder gemessene Streuparameterdaten genommen. Um noch die von der Einstellung der DC-Arbeitspunkte abhängigen Eigenschaften zu berücksichtigen, werden für die aktiven Bauteile (Transistor und Dioden) geeignete Kleinsignal-Modelle verwendet. Somit können die Übertragungseigenschaften für niedrige Leistungspegel berechnet werden. Wichtig ist dabei besonders die absolute Stabilität der Schaltung über einen weiten Frequenzbereich, der nicht nur den Nutzbereich sondern den gesamten Frequenzbereich abdeckt. Da hier mit hinreichender Genauigkeit über einen sehr weiten Frequenzbereich simuliert werden muss, sind dadurch auch die Anforderungen an die benutzten Modelle bzw. Streuparameterdaten erheblich. Ohne detailierte Untersuchung der Stabilität ist aber eine Verstärkerentwicklung nicht möglich, und Oszillationen führen zwangsläufig zu erheblichen Aufwand beim Re-Design.<BR><BR>Hauptteil<BR><BR>Großsignalverhalten ist von Bedeutung <BR>Neben der Kleinsignalbeschreibung eines Verstärker ist aber natürlich besonders das Großsignalverhalten von Bedeutung. Hierbei werden die wichtigen Größen wie Ausgangsleistung und Wirkungsgrad in Abhängigkeit von der Eingangsleistung und der Lastimpedanz berechnet . Dabei zeigt sich leider, dass eine optimale Anpassung für den Kleinsignalfall nicht gleichzeitig auch eine optimale Anpassung im Großsignalfall ist. Meist verschieben sich Last- und Eingangsimpedanz noch weiter zu niedrigeren Werten. So sind typische Werte für die optimale Lastimpedanz etwa 2 Ohm bzw. 0.2 Ohm für die Eingangsimpedanz für Sendeendstufen im Mobilfunk. Bei derart niedrigen Impedanzen (der Imaginärteil wurde hier vernachlässigt, da er durch z.B. Bondinduktivitäten verursacht wird und keine Bauteileigenschaft ist) sind schon geringe Änderungen der Impedanz mit erheblichem Einfluss auf die mögliche Ausgangsleistung verbunden. Es gibt daher nur zwei realistische Methoden (reines Herumexperimentieren ist heute nicht mehr die richtige Verfahrensweise) um die Leistungsabhängigkeit zu berücksichtigen. Zum ersten kann man ein genaues nichtlineares Modell für den Transistor entwickeln, und dieses in einem Simulationsprogramm einbinden. Wenn das Modell wirklich genau ist, dann ist dieses die beste Methode, da gleichzeitig auch die Kleinsignaleigenschaften berechnet werden können. Ohne experimentelle Überprüfung ist es aber schwer, die Qualität dieses nichtlinearen Modells vorherzusagen. Meist geschieht die Parameterextraktion auf Grund von DC-Kurven und arbeitspunktabhängigen Streuparametern. Dabei werden die nichtlinearen Effekte, die bei der Kompression durch HF-Leistung auftreten, aber nur zum Teil berücksichtigt. Besonders im Sättigungsbereich (bezogen auf die HF-Leistung) können erhebliche Abweichungen auftreten. Daher muss entweder eine Verifikation durch Messung des Kompressionsverhaltens oder, noch besser, eine Load-Pull-Messung durchgeführt werden.<BR>Es gibt mehrere Methoden, um eine variable Lastimpedanz zu realisieren. Dabei kann man zwischen aktiven und passiven Methoden unterscheiden. Bei passivem Load-Pull wird die Abschlussimpedanz meist durch einen Stub-Tuner realisiert. Dieser kann manuell oder elektronisch einstellbar sein. Das Verfahren ist sehr einfach, hat aber auch seine Tücken. Zum einen muss die Reproduzierbarkeit sehr hoch sein, da jede verwendete Einstellung vorher charakterisiert werden muss, zum anderen müssen auch ersteinmal geeignete Tunerstellungen gefunden werden, was alles eindeutig für elektronische Tuner spricht. Manuell ist nämlich die gezielte Einstellung eines Triple-Stub-Tuners schon etwas gewöhnungsbedürftig. Beide Verfahren haben aber noch die Restriktion, dass zwischen DUT (Testobjekt = Device Under Test) Verluste auftreten, die den maximal erreichbaren Reflexionsfaktor limitieren. Sollen 2 Ohm erreicht werden, so entspricht dieses einem Reflexionsfaktor von 0.92 = -0.69 dB! Sind die Verluste also größer als 0.35 dB, dann kann diese Lastimpedanz nicht eingestellt werden. Ein solch verlustarmer Aufbau ist nur schwer zu realisieren.<BR><BR>Kompensation der Verluste durch Load-Verstärker<BR>Eine Kompensation der Verluste wird beim aktiven Load-Pull durch Verwendung von Load-Verstärkern erreicht. Das klassische Konzept eines aktiven 1-Tor-Tuners besteht aus einem Koppler, einem IQ-Modulator und einem Verstärker (Abbildung 3). Durch Einstellung des IQ-Modulators werden Betrag und Phase der Impedanz eingestellt, die Verluste werden durch den entsprechend großen Verstärker ausgeglichen. Natürlich ist kein Verfahren ohne Nachteile, hier wird durch die aktive Last und interne Reflektionen bzw. das DUT ein geschlossener Rückkoppelpfad gebildet. Wenn die Schleifenverstärkung größer als 1 wird, dann können je nach Phasenbedingung Oszillationen auftreten. Berücksichtigt man, dass zum Teil sehr große Lastverstärker (bis 100 W!) benutzt werden müssen, so sieht man sehr schnell, dass dieses Verfahren so wohl nicht angewendet werden kann. Daher wird noch zusätzlich ein abstimmbares YIG-Filter verwendet, um die Schleifenverstärkung ausserhalb der Nutzfrequenz zu verringern. Zusätzliche Verstärkung und Frequenzstabilisierung des Filters werden aber damit notwendig.<BR>Bei einem anderen Verfahren (aktiver 2-Tor-Tuner) wird nicht ein Teil der Ausgangsleistung des DUTs sondern des Systemquelle benutzt, um den Lastverstärker zu treiben (Abbildung 4). Da im diesem Fall kein geschlossener Rückkoppelzweig gebildet wird, kann diese Last unter keinen Umständen mehr schwingen, was sehr beruhigend ist. Natürlich besteht die Möglichkeit, dass das Testobjekt selbst instabil ist, aber auch dieses ist hierbei deutlich weniger kritisch als bei den anderen Verfahren. Falls ein DUT zu schwingen beginnt, so ändert sich ja die von der Last gelieferte Leistung (vom DUT aus gesehen ist das die reflektierte Leistung) ja nicht, da sie nicht von der Leistung des DUTs sondern nur von der Quelle abhängt. Daher treten Probleme nur dann auf, wenn das DUT schon in einer 50 Ohm-Umgebung instabil ist. Dann sind aber schon so simple Messungen wie Streuparameter nicht mehr möglich. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass bei Kompression des DUTs die Leistung der Last weiterhin proportional zur Quellenleistung steigt (solange der Lastverstärker groß genug dimensioniert ist). Die Auswirkung dieses Verhalten entspricht einer Dekompression der Last, d.h. der Lastreflexionsfaktor wird immer größer. Damit werden schnell Reflexionsfaktoren größer als 1 erreicht, was einige Messobjekte leider garnicht mögen. Gleichgültig welches Load-Pull-Verfahren angewendet wird, in Abhängigkeit von der Eingangsleistung und der Lastimpedanz werden die Kenngrößen Ausgangsleistung, Eingangsimpedanz und DC-Ströme gemessen. Damit kann der optimale Betriebszustand gefunden werden. Meist ist dieser durch eine Kombination mehrer Parameter definiert. Eine typische Verteilung der Ausleistung ist in Abbildung 5 über dem Lastreflexionsfaktor dargestellt. Für einen Reflexionsfaktor von 1 ist die abgegebene Leistung natürlich 0, bei optimaler Anpassung hat sie ein Maximum. Für die spätere Anwendung ist es nun aber interessant, wie man diese optimale Anpassung realisiert. Im Laden für ideale Bauelemente lassen sich auch verlustlose Anpassnetzwerke kaufen, wenn man jedoch mit realen Komponenten eine Anpassschaltung aufbaut, dann müssen Verluste und breitbandige Stabilität als Kriterien berücksichtigt werden. Bei einem Anpassnetzwerk von ausgangsseitig 2 Ohm auf 50 Ohm sind somit die Anforderung schon recht hoch, eingangsseitig kann es noch viel schlimmer aussehen, hier muss eventuell auf 50 Ohm auf nur 0.2 Ohm angepasst werden! Somit hat ein optimales Anpassnetzwerk mehrere Funktionen gleichzeitig zu erfüllen:<BR><BR>1.Möglichst verlustlose Anpassung (dieses muss nicht unbedingt die optimale Anpassung sein, wichtiger ist die erzielte Leistung im Abschluss unter Berücksichtigung der Verluste und der Transistoreigenschaften)<BR>2.Gewährleistung der Stabilität über einen weiten Frequenzbereich (meist ein Widerspruch zur Anpassung!)<BR>3.Geringer Platzbedarf<BR>4.Kostengünstig im Aufbau.<BR><BR>Entwicklung des Anpassnetzwerkes ist ein Iterationsprozess<BR>Da man alle diese Kriterien beim Design im Auge behalten muss, ist die Entwicklung des Anpassnetzwerks ein Iterationsprozess. Es muss meist mehrfach zwischen Großsignal- und Kleinsignal-Analyse hinundhergeschaltet werden, um alle Parameter zu berechnen und zu wichten. Mit Hilfe von Load-Pull-Messungen können die Eigenschaften in Abhängigkeit von der Lastimpedanz ermitteln werden. In einer ersten Näherung kann bei Kenntnis dieser Eigenschaften ein einfaches Ersatzschaltbild gewonnen werden, dass aus einer Spannungsquelle mit komplexer Innenimpedanz besteht. Damit kann die verfügbare Ausgangsleistung für verschiedene Abschlussreflektionsfaktoren einfach berechnet werden. Wird nun ein reales Anpassnetzwerk angenommen, so kann die in der Last aufgenommene Wirkleistung als Optimierungskriterium genommen werden. Damit lässt sich recht schnell ein günstiges Anpassnetzwerk finden. Die Untersuchung des Stabilitätsfaktors liefert dann weitere Erkenntnisse; wobei meist auch noch bezüglich dieses Parameters eine Verbesserung der Schaltungseigenschaften vorgenommen werden muss. Nach Abschluss dieses Optimierungszyklus erhält man eine Schaltung, von der sowohl die Großsignal- als auch Kleinsignal-Eigenschaften bekannt sind. Da diese Daten auf realen Messdaten basieren, ist die Sicherheit bei dieser Methode üblicherweise höher, als wenn nur ein nichtlineares Modell für den Transistor benutzt wurde. Eine ausreichend genaue Messung der Streuparameter bzw. Load-Pull-Eigenschaften muss dabei natürlich vorausgesetzt werden.<BR><BR>Zusammenfassung<BR><BR>In diesem Beitrag wurden die verschiedenen Methoden zur Durchführung von Load-Pull-Messungen angeführt. Die Ergebnisse solcher Messungen werden bei der Entwicklung von Leistungsendstufen benötigt, da die Ermittlung der Anpassbedingungen allein aus Kleinsignal-Messungen nicht ausreichend genau sind. Auch nichtlineare Modelle besitzen für die typischen Arbeitsbedingungen von Endstufen (stark komprimiert!) normalerweise nicht die notwendige Genauigkeit. Aus den Load-Pull-Daten lassen sich auch einfache Ersatzschaltungen zur Beschreibung des Transistorverhaltens gewinnen, die mit allen Schaltungssimulationsprogrammen für die effiziente Entwicklung von Anpassnetzwerken genutzt werden können. Zusammen mit Streuparameter-Messungen liefern also Load-Pull-Ergebnisse alle Informationen, die für einen erfolgreichen Verstärkerentwurf benötigt werden.<BR><BR></TD> </TR> <TR> <TD CLASS=detailQuelle> </TD> </TR> </TABLE> </TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=1 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top></TD> </TR> <TR> <TD VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=393 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=28 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=28 HEIGHT=1 ALT=""></TD> <TD WIDTH=174 VALIGN=top><IMG NAME="" SRC=/pi/spacer.gif WIDTH=174 HEIGHT=1 ALT=""></TD> </TR> </TABLE> <P><I>Diese Seite wurde am 25.09.2004, 13:11 Uhr aktualisiert</I></P> </BODY>