METODOLOGIA DI PROGETTAZIONE DI AMPLIFICATORI .di progetto di un amplificatore di potenza: dalle

download METODOLOGIA DI PROGETTAZIONE DI AMPLIFICATORI .di progetto di un amplificatore di potenza: dalle

of 14

  • date post

    17-Feb-2019
  • Category

    Documents

  • view

    223
  • download

    2

Embed Size (px)

Transcript of METODOLOGIA DI PROGETTAZIONE DI AMPLIFICATORI .di progetto di un amplificatore di potenza: dalle

METODOLOGIA DI PROGETTAZIONE DI AMPLIFICATORI FINALI DI POTENZA A MICROONDE PER APPLICAZIONI ATV

A. Meazza1

1Tel: +39 02 26598639; e-mail: andrea.meazza@ericsson.com

Abstract: Nel presente lavoro viene illustrata una metodologia di progetto per stadi amplificatori di potenza per applicazioni a microonde. La tecnica presentata principalmente indirizzata allo sviluppo di stadi operanti in condizioni di compressione in cui le prestazioni richieste devono essere cercate come buon compromesso tra guadagno, efficienza e potenza satura di uscita.

La procedura di progetto proposta rappresenta un approccio pratico ed efficace alla progettazione di tali circuiti in grado sia di ridurre i rischi di fallimento sia di raggiungere le prestazioni richieste nel minor numero di prototipazioni. La metodologia descritta, inoltre, non utilizza modelli di simulazione non lineare, bens si avvale della caratterizzazione per piccolo segnale del dispositivo attivo tramite parametri di scatter a larga banda e della conoscenza, da misure di load-pull, del carico ottimo per la potenza di uscita satura.

La metodologia costituita da un insieme di passi che considerano i molteplici aspetti del flusso di progetto di un amplificatore di potenza: dalle scelte di tipo tecnologico del dispositivo attivo in base ai parametri forniti dal costruttore a quelle di tipo modellistico, circuitale, elettromagnetico e termico.

La procedura proposta stata applicata al progetto di uno stadio finale di amplificazione di potenza in tecnologia ibrida per la banda radioamatoriale 2.32.45GHz. Il circuito opera in saturazione ed utilizzabile in collegamenti ATV e con modulazioni ad inviluppo costante. Lamplificatore stato simulato in ambiente AWR Microwave Office (versione light freeware ottenibile via Web). Il dispositivo attivo utilizzato un pHemt in package del costruttore Filtronic. Lo stadio stato dimensionato per erogare 4W di potenza a 1dB di compressione con un guadagno lineare di 12dB e un PAE pari al 45%.

1 Premessa E ben noto che laddove esistano comunicazioni di tipo wireless, componenti come gli

amplificatori di potenza a radiofrequenza o a microonde risultano essere elementi chiave di tutta la catena di trasmissione poich operano con dinamiche di segnale molto ampie. Che si tratti di un telefono cellulare erogante poche centinaia di milliwatts oppure una stazione radio-base con qualche decina di watts o, ancora, un collegamento radio digitale a microonde da 100 watts i requisiti di tipo progettuale per tali dispositivi sono tipicamente molto simili. In particolare, le scelte che il progettista si trova ad affrontare devono considerare congiuntamente aspetti quali efficienza, guadagno, potenza massima, linearit (se richiesto dalla specifica applicazione) e in ultimo, ma non meno importante, il costo finale della soluzione trovata. La ormai consolidata tecnologia MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) permette di realizzare dispositivi ad alte prestazioni estremamente piccoli e leggeri, riducendo drasticamente i costi specie su volumi di produzione elevati. La recente e continua espansione delle tecnologie wireless a microonde ha dato un forte impulso sia verso il raggiungimento di elevati volumi produttivi sia verso il continuo miglioramento dei processi tecnologici. Anche ambiti di nicchia come quello radioamatoriale traggono evidentemente beneficio da ci ed ora possibile, anche a coloro che hanno pochi mezzi economici, avvicinarsi alla progettazione di circuiti trasmettitori a microonde. Anche le moderne tecniche CAD facilmente e, spesso, gratuitamente reperibili in versioni light, sono un elemento essenziale nella progettazione accurata dei circuiti a microonde. A questo proposito importante sottolineare che la precisione di tali tecniche

dipende fondamentalmente dalla accuratezza del modello del dispositivo inserito nel circuito che si vuole simulare. Sebbene sia relativamente semplice modellare in modo preciso il comportamento lineare (o per piccoli segnali) dei dispositivi attivi non si pu essere altrettanto ottimisti nella capacit di buona predizione degli effetti non lineari sia in condizioni di saturazione sia in condizione di elevato back-off rispetto alla potenza in compressione di guadagno. Nondimeno la capacit di stimare i carichi ottimi per efficienza, potenza satura o intermodulazione tipicamente scadente. Per ci che concerne invece laccuratezza dei modelli degli elementi passivi, le librerie standard fornite dai vari costruttori di componenti sono tipicamente abbastanza precise al di sotto dei 20GHz. Tuttavia, per layout con geometrie particolari o per valutare effetti di prossimit buona norma appoggiarsi ad un simulatore elettromagnetico normalmente incluso negli ambienti CAD.

La metodologia di progetto proposta rappresenta un possibile approccio efficace ed accurato alla realizzazione di stadi amplificatori di potenza a microonde. Essa non necessit di una modellizzazione non lineare poich si basa esclusivamente sulla conoscenza dei parametri di scatter del dispositivo attivo e sulla conoscenza del carico ottimo per la prestazione desiderata (efficienza, guadagno o potenza di uscita satura). Lapproccio di tipo procedurale descritto in questo articolo permette di affrontare passo dopo passo tutti gli aspetti progettuali di un circuito amplificatore operante in condizioni di saturazione cercando di ridurre il pi possibile il rischio di fallimento dovuto, tipicamente, alle criticit intrinseche del circuito, agli errori di simulazione/modellizzazione o alla elevata sensibilit delle prestazioni alle tolleranze dei componenti [4]. Allo stesso tempo il metodo proposto consente di ambire ad ottenere le prestazioni richieste in un tempo limitato (short lead time) e con il numero minimo di prototipazioni.

Nel paragrafo successivo vengono elencati e dettagliatamente illustrati i diversi passi della metodologia. E da sottolineare che ciascuno di questi passi ha un significato procedurale che pu, in taluni casi, prescindere dallapplicazione specifica essendo generalizzabile ad altre tipologie di amplificatori (basso rumore, lineari, bilanciati, larga banda, ).

Nel terzo paragrafo, infine, viene presentato un esempio di applicazione della procedura alla progettazione di uno stadio amplificatore operante in condizioni di saturazione utilizzabile per applicazioni radioamatoriali nella banda dei 2.4GHz.

2 Metodologia di progetto Deve essere premesso che qualunque progetto ben impostato dovrebbe disporre di requisiti

chiari e precisi sin dalle fasi iniziali. Notoriamente, ci difficilmente avviene poich spesso manca una fase di pre-studio che dovrebbe dare indicazioni di massima sulla realizzabilit di certi livelli di prestazione. Conseguentemente i requisiti riescono a raggiungere una certa stabilit e chiarezza solo dopo le prime fasi del progetto in cui i risultati delle prime simulazioni riescono a dare unidea pi precisa delle prestazioni ottenibili e consentono, quindi, una negoziazione dei requisiti stessi. E evidente che in ambito radioamatoriale/hobbistico lapproccio alla definizione dei requisiti molto meno formale e vincolante non essendoci limitazioni cos stringenti alle prestazioni che devono essere ottenute.

Vengono di seguito elencati e dettagliatamente descritti i diversi passi della metodologia applicata alla progettazione di stadi amplificatori di potenza operanti in condizioni di saturazione. 2.1 Scelta del dispositivo

Si tratta di effettuare una accurata selezione del dispositivo attivo in base a compromesso costo, prestazioni e disponibilit di informazioni tecniche (misure, datasheet). Le diverse tecnologie per applicazioni di potenza a microonde oggi disponibili (Mesfet, Hemt, pHemt, LDMOS) [3] consentono di vagliare diverse possibili soluzioni. Una caratterizzazione del dispositivo per diversi bias, tipicamente parametri di scatter a piccolo segnale su larga banda e cerchi di load-pull per i carichi

ottimi, possono essere utilizzati per una prima valutazione delle prestazioni ottenibili implementando su simulatore un semplice circuito di principio. Questa fase preliminare consente di ridurre i rischi di riprogetto, circostanza possibile qualora si scopra di non poter soddisfare ai requisiti in una fase avanzata dello sviluppo. E da notare che, sebbene misure come parametri di scatter e load-pull richiedano banchi molto costosi e complessi difficilmente a disposizione di uno sperimentatore hobbista, ormai oggi possibile reperire facimente nei siti Web dei fornitori tali caratterizzazioni sperimentali sotto forma di archivio elettronico.

Lutilizzo di dati misurati del dispositivo, oltre a fornire una maggiore accuratezza rispetto ad eventuali modelli disponibili, permette di tenere in considerazione, gi dalle prime fasi del progetto, il degrado delle prestazioni dovuto sia allautoriscaldamento del dispositivo stesso sia agli eventuali fenomeni di dispersione sulle caratteristiche di uscita dovuti ad effetti trappola nel canale non evidenziabili da misure delle stesse in regime statico. 2.2 Scelta del bias

La posizione del punto di lavoro insieme alla dinamica del segnale di uscita determina la classe di funzionamento dellamplificatore. Per uno stadio operante in classe A e in saturazione un buon compromesso tra potenza di uscita e PAE (Power Added Efficiency) pu essere ottenuto riducendo langolo di conduzione senza compromettere pesantemente il guadagno di potenza del dispositivo [2]. La scelta comune, in particolare per amplificatori basati su dispositivi in tecnologia unipolare, un funzionamento in classe AB. Esso consente di mantenere guadagni elevati e con una efficienza sufficientemente alta tale da non degradare il comportamento termico e quindi laffidabilit del dispositivo. 2.3 Caratterizzazione sperimentale per piccolo segnale d