Elettronica delle Telecomunicazioni A.A

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1 Elettronica delle Telecomunicazioni A.A Università degli studi di Ferrara Studente: Sferrazza Giovanni Prof. Giorgio Vannini Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 1 di 12

2 Scopo dell esperienza: Si vuole progettare un amplificatore di potenza per amplificazioni WLAN, come descritto nello standard b (noto anche come WI-FI). Quest ultimo fornisce una serie di specifiche per le reti WLAN, che servono a definire un interfaccia tra un Client wireless ed una Base-Station. La banda operativa è di 2,4GHz e supporta velocità di transizione fino ad 11Mbps. Specifiche di progetto: Il segnale deve essere attenuato di almeno 30dB ad 11MHz dalla frequenza centrale. Il segnale deve essere attenuato di almeno 50dB ad 22MHz dalla frequenza centrale. La massima Potenza effettiva radiata deve essere 20dBm (100mW). Specifiche dell amplificatore: Guadagno: > 10dB 1dB in banda. Potenza in uscita: 16dBm (40mW). Frequenza operativa: 2,4GHz a 2,5GHz. Linearità: deve rispettare lo standard b. Dispositivo utilizzato: Tra due dispositivi a disposizione si è scelto di utilizzare il modello NESG2101M05 della NEC Compound semiconductor devices. Si è scelto questo dispositivo poiché supporta una potenza massima dissipabile maggiore rispetto l altro. Tale scelta è legata anche alla decisione di far operare l amplificatore in classe A, favorendo la linearità del sistema. Dati importanti: Massima corrente di collettore : 100mA. Massima tensione di collettore-emettitore : 5V. Massima potenza dissipata : 500mW Si sono inseriti inoltre tutti i parametri specificati nel datasheet, riferiti alle componenti parassite ed intrinseche del dispositivo. E stata svolta la convalida del modello, e si è proseguita la progettazione. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 2 di 12

3 Schema circuitale del dispositivo: Lo schema implementa il modello intrinseco del dispositivo e le reti passive esterne inserite per modellare gli effetti parassiti del package. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 3 di 12

4 Rete di polarizzazione: Abbiamo scelto di polarizzare il circuito in classe A per essere in grado di rispettare al meglio i vincoli di linearità e guadagno, a discapito dell efficienza, che dalle specifiche sembravano molto stringenti. Per polarizzare il circuito è stato adottato un partitore di tensione al circuito base, in modo da fissare la I Base ed assumere che la tensione di alimentazione sia pari alla tensione V CE voluta. Le resistenze R1 e R2 del partitore, sono state ricavate tunando il dispositivo, fino a trovare il valore di Ic che più si avvicinasse a: I c =I c max /2= 100/2= 50mA E considerando: Vceo= (5V+0,45)/2 2,75V Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 4 di 12

5 Analisi della stabilità: Si è eseguita questa analisi tenendo conto che a frequenze inferiori di 10MHz i modelli dei dispositivi perdono la loro accuratezza e i risultati non sono più attendibili. La massima frequenza per l analisi è invece la F max del transistor, alla quale il guadagno del transistor è 0dB, considerata a 20GHz. Si è inserita una rete di stabilizzazione tra la porta d ingresso ed il Bias-tee d ingresso, costituita da una resistenza (che serve a stabilizzare a bassa frequenza) ed un parallelo RC (che serve a stabilizzare ad alta frequenza, bypassado la resistenza alla frequenza di lavoro dei 2,4 2,5GHz, in modo da non far crollare il guadagno): Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 5 di 12

6 Questa rete è stata dimensionata tramite tuning, tenendo come riferimento il grafico dei parametri K, B1. Per garantire l incondizionata stabilità devono essere verificate tali condizioni: K >1 e B1>0. Le due condizioni si sono verificate garantendo inoltre 9db di guadagno (valutando S 21 ) nella banda di lavoro: Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 6 di 12

7 Terminazione di carico: Si è calcolata la resistenza di carico ottima (RL opt ) seguendo la teoria Load Line, secondo la quale per un dispositivo polarizzato in modo ottimale in classe A, si può determinare: RL opt =(Vce max -Vce sat )/Ic max Dove Vce e Ice massimi, sono i massimi valori che ammette il transistor, mentre Vce sat corrisponde al ginocchio della caratteristica I-V del dispositivo. Le misure sono state realizzate in regime statico (corrente e tensione continua) dove sono trascurabili gli effetti parassiti. Il valore così calcolato è quindi riferito al valore che deve vedere il dispositivo intrinseco; ciò però è trascurabile, ed è possibile applicare RL opt direttamente ai capi del transistor, tra collettore ed emettitore, ad una frequenza bassa tale che gli effetti parassiti rimangono comunque trascurabili. Dato che il valore trovato è diverso da 50, si è inserito una rete di adattamento LC, tunando il dispositivo fino ad annullare il parametro S22, partendo da valori di L e C prossimi a quelli ottimali, calcolati considerando la frequenza di risonanza di un filtro LC. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 7 di 12

8 Terminazione di sorgente: Terminato il transistor, si è misurato S11 (che coincide con Γ IN ), si è inserita una terminazione di sorgente tenendo conto che il guadagno massimo si ha quando Γ s =S11*. Si è scelto dunque un valore di Γ s tramite lo strumento L-tuner, tale che il guadagno sia almeno 10dB in tutta la banda 2,4 2,5 GHz. Cosi come per la terminazione di carico, si è realizzata una rete di adattamento di sorgente (dato che Γ s 0): Grazie a queste terminazioni si è ottenuto un guadagno di 12db in banda di lavoro ben superiore alle specifiche di progetto. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 8 di 12

9 Analisi Harmonic Balance (HB) a singolo tono: L analisi HB serve a verificare la performance del circuito in funzione non lineare, tramite valutazione della caratteristica di compressione del guadagno in uscita, al variare della potenza in ingresso. Si sono inserite nel circuito le terminazioni di sorgente e di carico prima determinate. Si è determinato il valore della potenza in ingresso, quando si sono raggiunti i 16dBm in uscita, ed è stata valutata la compressione del guadagno come differenza tra il punto considerato, ed il punto con -10dBm di potenza in ingresso. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 9 di 12

10 Come si può vedere dai grafici sopra riportati, si è in grado di ottenere la potenza in uscita richiesta dalle specifiche di progetto solo quando interviene la compressione del guadagno. Retta di carico dinamica: Onde evitare invecchiamenti prematuri e rotture del dispositivo, è bene rispettare i limiti relativi alle massime tensioni e correnti che il transistor può supportare. Si sono aggiunti al circuito un amperometro ed un voltimetro. Si è graficata quindi la retta di carico dinamica che fornisce una rappresentazione dei valori istantanei della Ic intrinseca, in funzione della Vce intrinseca. Dalla figura sotto riportata, si evince che il dispositivo è in grado di fornire la potenza voluta e che i valori di Ic e Vce non superano i limiti massimi stabiliti nel datasheet, per le frequenze di lavoro: V ce max = 5V I c max = 100mA Come si può vedere dal grafico sopra riportato, la retta di carico dinamica presenta cicli di isteresi per via di effetti reattivi. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 10 di 12

11 Tuning Armonico: Stiamo considerando un circuito non lineare, e ciò comporta che la risposta non dipende solo dalla terminazione di carico alla frequenza di lavoro, ma anche dalle terminazioni di carico alle varie armoniche. Il processo di variare le terminazioni alle varie armoniche viene detto Tuning Armonico ; se eseguito correttamente, imponendo un circuito aperto alle armoniche in ingresso si può ottenere un miglioramento nella linearità dell amplificatore. Si è realizzata a tale scopo una rete risonante LC serie sintonizzata alla frequenza centrale della banda di lavoro (2,45GHz): Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 11 di 12

12 Il grafico seguente evidenzia le caratteristiche di linearità dell amplificatore, in particolare confronta l amplificazione del termine utile e l attenuazione del termine di intermodulazione: Come si può vedere dal grafico sopra riportato, il termine di intermodulazione risulta essere attenuato di 17db alla potenza di 3dbm e questo rappresenta un discreto risultato per un amplificatore lineare. L amplificatore ottenuto ha un ottimo guadagno (12-13db) mentre una potenza di uscita inferiore ai 16dbm. Questo è motivato dalla scelta di ottimizzare, attraverso le reti matching, proprio il guadagno anziché la potenza di uscita. This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License. Nome file: Amplificatore di potenza b.doc Pagina 12 di 12