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Technische Universität Berlin Microwave Engineering
1
Rechnergestützter Entwurf von
Hoch- und Höchstfrequenzschaltungen
( HF-Bauelementesimulation mit ADS)
Technische Universität Berlin Microwave Engineering
2
Allgemeines
Stoff aus der Vorlesung (Prof. Böck) anhand von
Schaltungssimulationen
Software: ADS
Agilent‘s „Advanced Design System“
Industriestandard im Bereich Hochfrequenz-
Schaltungssimulation
Zeiteinteilung
Di 14.00 -18.00 Uhr
9 Termine je 4 Zeitsunden In 12 Semesterwochen 4 SWS
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3
Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET - Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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Einführung, Grundlagen (1)
ADS – Simulationsumgebung für aktive, passive HF-Schaltungen
Vielzahl von Unterprogrammen
Verschiedenste Tools
Feldsimulator
Schaltungssimulation (!!)
Digitale Signalverarbeitung
Tools zur Synthese von Filtern, Anpassnetzwerken, Kopplern …
…
P-Spice ähnliche Oberfläche
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Einführung, Grundlagen (2)
Je nach Problemstellung – unterschiedliche Simulatoren
Gleiches Lösungsprinzip für Schaltungssimulation
Netzliste erstellt mit entsprechenden Knoten, Maschen
Gleichungssystem
Für Lösung des Gleichungssystems verschiedene Ansätze
Grundlegend: Zeitinvariante Lösung (ADS: DC-Simulation)
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Einführung, Grundlagen (3)
Für zeitabhängige Signale generell zwei Ansätze
Lösung im Frequenzbereich• ADS: AC- / S-Parameter – Simulation• Zu Beginn DC-Analyse• Nichtlineare Elemente im AP linearisiert• Linearisiertes Netzwerk• Lösung für eine Frequenz (-bereich)
+ Sehr schnell- keine Kompression,
keine Einschwingverhaltenkeine harmonische Verzerrungen…
- Nur kleine Aussteuerungen im AP
Lösung im Zeitbereich• ADS: Transient – Simulation• DGLn für Strom/Spannung gelöst• Nichtlineare Effekte abgedeckt
+ Einschwingvorgänge, Verzerrungen,Kompression …
- Zeitaufwändig (besonders für Signale mit unterschiedlichen Frequenzenanteilen)
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Einführung, Grundlagen (4) HF-Verstärker, Mischer etc.
Großsignalverhalten erforderlich
Problem: Zeitbereichsimulation für hohe Frequenzen aufgrund kleiner Schrittweite
sehr langwierig
Außerdem: Viele Netzwerke im Frequenzbereich modelliert (z.B.
Mikrostreifenleitungen)
Lösung: Weiterer Lösungsansatz für Netzliste
Mischform Frequenz/Zeitbereichssimulation
ADS: „Harmonic Balance“-Simulation
Ausgangspunkt: Signal kann im eingeschwungenen Zustand mit Fourier-Reihe
endlicher Ordnung beschrieben werden
Lineare Netzwerke werden im Frequenzbereich gelöst
Nur nichtlineare Netzwerke in den Zeitbereich überführt, gelöst
anschließend: Lösung mit FT in den Frequenzbereich
+ Schneller als Transient-Analyse+ Nichtlineare Effekte (Kompression, Harmonische Verzerrung …)- keine Einschwingvorgänge
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Einführung, Grundlagen (5)
Wichtig:
Für jeweilige Anwendung ist richtiger Simulator zu benutzen
Jeder Simulator greift mitunter auf eigene Komponenten zurück
(Quellen!!!)
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I_Probe
Id
DC
DC1
DC
V_DC
SRC1
Vdc=Vd VVAR
VAR1
Vd=1.0
EqnVar
Diode_Model
DIODEM1
AllParams=
Eg=
Xti=
Trise=
Tnom=
AllowScaling=no
Fcsw=
Vjsw=
Msw=
Cjsw=
Ikp=
Ns=
Gleaksw =
Rsw=
Jsw=
Ffe=
Af=
Kf=
Nbvl=
Ibvl=
Nbv=
Ibv=
Bv=
Ikf=
Nr=
Isr=
Imelt=
Imax=
Fc=
M=
Vj=
Cjo=
Cd=
Tt=
N=
Gleak=
Rs=
Is=
Diode
DIODE1
Mode=nonlinear
Trise=
Temp=
Region=
Scale=
Periph=
Area=
Model=DIODEM1
0.2 0.4 0.6 0.80.0 1.0
2
4
6
0
8
Vd
Id.i,
A
Simulationen (1)
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10
1 2 3 40 5
100
200
300
0
400
Vgs=-1.000Vgs=-0.813Vgs=-0.625
Vgs=-0.438
Vgs=-0.250
Vgs=-0.063
Vgs=0.125
Vgs=0.313
Vgs=0.500
Vds
Id.i, uA
I_ProbeId
DCDC1
DC
ParamSweepSweep1
Step=
Stop=0.5
Start=-1SimInstanceName[6]=
SimInstanceName[5]=
SimInstanceName[4]=
SimInstanceName[3]=SimInstanceName[2]=
SimInstanceName[1]="DC1"
SweepVar="Vgs"
PARAMETER SWEEP
VAR
VAR1
Vgs=1.0Vds=1.0
EqnVar
V_DC
SRC1Vdc=Vgs V
V_DC
SRC2
Vdc=Vds V
Statz_Model
MESFETM1
AllParams=
wPmax=
wIdsmax=
wBvds=wBvgd=
wBvgs=
wVgfwd=
P=C=
R=
Fnc=
Taumdl=noRin=
Vtotc=
Vbr=Eg=
N=
Xti=
Imelt=Imax=
Ir=
Is=
Vjr=Gdrev=2
Gdfwd=2
Gsrev=2
Gsfwd=2Rc=
Crf=
Cds=Ls=
Lg=
Ld=
Rs=Rg=
Rd=
Fc=
Vmax=Tqm=
Rgd=
Cgd=
Gdcap=Cgs=
Gscap=
Delta2=Delta1=
Betatce=
Tau=
Vbi=Idstc=
Trise=
Tnom=
B=Alpha=
Lambda=
Beta=
Vto=PFET=no
NFET=yes
GaAsFETFET1
Trise=Temp=
Area=
Model=MESFETM1
Simulationen (2)
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2. Einführung: Schwingkreise und Filter
(AC-Analyse)
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Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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2.1 Serienresonanzkreis
Serienresonanzkreis
LC
10 =ω
0
45. .
2o
ZZ B Wω
±=
Bandbreite
0Z Rω =
C
C13
C=
R
R1
R=
L
L4
R=
L=
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Tuning in ADS
Tuning-Tool
Werte (z.B. R, L, C) tunen bis ein Ziel (z.B. V, I, ω0) erreicht wird
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2.2 Realer Kondensator
SMD-Kapazitäten
Kleine Abmessungen – weniger Parasiten
Bauformen nach der Größe benannt
a
b
z.B. 0603-SMD-Kapazitäta x b: 0.06 x 0.03 inch
(1.6 x 0.8 mm)
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2.3 Filter (Optimierung in ADS)
Optimierung in ADS
Werte in einem definierten Beriech optimieren bis ein Ziel erreicht wird
Optim
Optim1
SaveCurrentEF=no
UseAllGoals=yes
UseAllOptVars=yes
SaveAllIterations=no
SaveNominal=no
UpdateDataset=yes
SaveOptimVars=no
SaveGoals=yes
SaveSolns=yes
Seed=
SetBestValues=yes
NormalizeGoals=no
FinalAnalysis="None"
StatusLevel=4
DesiredError=0.0
MaxIters=25
OptimType=Random
OPTIM
Goal
OptimGoal1
RangeMax[1]=
RangeMin[1]=
RangeVar[1]=
Weight=
Max=
Min=
SimInstanceName=
Expr=
GOAL
V_R2
V_DC
SRC9
Vdc=1.0 VR
R3
R=R2 Ohm o
R
R2
R=50 Ohm
Beispiel: Optimiere R2 bis V_R2=0.35 V ist
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3. Einführung: Leitungen
Transient- und S-Parameter Analyse
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Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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3.1 Untersuchung der Eigenschaften einer verlustlosen Leitung
V_anfang V_load
U_source
TLINP
TL1
Sigma=0TanM=0
Mur=1
TanD=0F=1 GHz
A=0
K=2.25L=10000 mm
Z=50.0 Ohm
R
R2
R=75 Ohm
R
R1R=50 Ohm
I_ProbeI_load
I_ProbeI_anfang
VtPulse
SRC1
Period=400 nsec
Width=200 nsecFall=0 nsec
Rise=0 nsecEdge=linear
Delay=0 nsec
Vhigh=20 VVlow=0 V
t
r
kabel
cv
ε=
C
C
ZR
ZRr
Last
Last
+
−=
10 m, 2.25rl ε= =
8
8
m3 10
ms 2 10 s2.25
kabelv
⋅≈ = ⋅ 2.0+=r delay
8
10 m50 ns
m2 10
s
t = =
⋅
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3.1 Untersuchung der Eigenschaften einer verlustlosen Leitung
delay0.2, 50 nsr t= + =
50 100 150 200 2500 300
0
5
10
15
-5
20
time, nsec
U_
so
urc
e,
VV
_a
nfa
ng
, V m1
m2
m3
V_
loa
d,
V
m1time=V_anfang=10.00 V
50.22nsecm2time=V_anfang=12.00 V
150.2nsecm3time=V_anfang=2.000 V
250.3nsec
Strom und Spannung an Ein-/Ausgang ???
Zusammengesetzt aus hinlaufender, rücklaufender Welle
Funktion des Ortes und der Zeit
V_anfang V_load
U_source
TLINP
TL1
Sigma=0TanM=0
Mur=1
TanD=0F=1 GHz
A=0
K=2.25L=10000 mm
Z=50.0 Ohm
R
R2
R=75 Ohm
R
R1R=50 Ohm
I_ProbeI_load
I_ProbeI_anfang
VtPulse
SRC1
Period=400 nsec
Width=200 nsecFall=0 nsec
Rise=0 nsecEdge=linear
Delay=0 nsec
Vhigh=20 VVlow=0 V
t
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3.1 Untersuchung der Eigenschaften einer verlustlosen Leitung
50 100 150 200 2500 300
0
50
100
150
-50
200
time, nsec
I_anfa
ng.i,
mA
I_lo
ad.i,
mA
m4time=P_anfang=1.920
150.2nsec
50 100 150 200 2500 300
0.0
0.5
1.0
1.5
-0.5
2.0
time, nsec
P_anfa
ng
m4
P_lo
ad
m4time=P_anfang=1.920
150.2nsec
Eqn P_anfang=V_anfang*I_anfang.i
Eqn P_load=V_load*I_load.i
V_anfang V_load
U_source
TLINP
TL1
Sigma=0TanM=0
Mur=1
TanD=0F=1 GHz
A=0
K=2.25L=10000 mm
Z=50.0 Ohm
R
R2
R=75 Ohm
R
R1R=50 Ohm
I_ProbeI_load
I_ProbeI_anfang
VtPulse
SRC1
Period=400 nsec
Width=200 nsecFall=0 nsec
Rise=0 nsecEdge=linear
Delay=0 nsec
Vhigh=20 VVlow=0 V
t
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Mikrostreifenleitungen im Frequenzbereich modelliert
S-Parameter-Analyse ~ Frequenzbereichsanalyse
Für komplette Beschreibung einer Leitung
ZC γ=α+jβ
Spannungen, Ströme entlang der Leitung sind ortsabhängig
ßlZ
lZj
ljZlZZ
tan)(
1
tan)(
C
CIN
+
+=
β
MLIN
TL1 R
R1
R=Z(l)
ZC, l
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25
3.3 Mikrostreifenleitungen
Spezialfall: Z(l)=0
Spezialfall: Z(l)=
Spezialfall: βl=90° (l=λ/4)
ßlZ
lZj
ljZlZZ
tan)(
1
tan)(
C
CIN
+
+=
βlZ
lZZ β
βtanj
01
tanj0C
CIN =
+
+=
∞
ßlZ
lZj
ljZlZZ
tan)(
1
tan)(
C
CIN
+
+=
βßlZ
ßlZ
lZ
lZZ cotj
tan)(
j
)(C
C
IN −==
ßlZ
lZj
ljZlZZ
tan)(
1
tan)(
C
CIN
+
+=
β
)(tan
)(j
tanj2
C
C
CIN
lZ
Z
ßlZ
lZ
lZZ ==
β
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Spezialfall: Z(l)=0 lZlZ
Z ββ
tanj01
tanj0C
CIN =
+
+=
0 λ/4 λ/2 λ/2 l
jZIN
0
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Biasnetzwerke zur Einstellung des AP
MLINTL1
PortDC_Drain
PortDC_Gate
MLINTL2
PortRF_Out
PortRF_In1
C
C2
CC1
GaAsFETFET1
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3.3 Mikrostreifenleitungen
S-Parameter
Frequenzbereichanalyse
Nichtlineare Bauelemente im AP linearisiert – KS-Analyse
Beschreibung des Netzwerkes basierend auf Vierpoltheorie
Zusammenhang zwischen Ausgang/Eingang mit Matrix beschrieben
z.B. Z-Matrix
U1 U2
I1 I2
=
2
1
2221
1211
2
1
I
I
ZZ
ZZ
U
U
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Hochfrequenztechnik
Strom, Spannung ortsabhängig – Wellencharakter
Strom, Spannung – Hohlleiter, Antennen???
Netzwerkbeschreibung mit Wellen
a einfallende Wellen
2-Port b reflektierte Wellen
~ Wurzel der Leistung
Richtung des Leistungsflusses
Def. S-Parameter
Interpretation
a1 a2
=
2
1
2221
1211
2
1
a
a
SS
SS
b
b
b1 b2
)02(1
111
=
=aa
bS
)02(1
221
=
=aa
bS
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3.3 Mikrostreifenleitungen
S-Parameter in ADS
50 Ohm Ports „Term“
50 Ohm – Referenzimpedanz (Systemimpedanz)
Warum 50 Ohm in der HF
Aus der Entwicklung von kW-Transmittern 1930
Koax-Kabel mit Luftfüllung: min. Losses bei ZC=77 Ohm
max. Power bei ZC=30 Ohm
50 Ohm als arithmetisches Mittel
Term
Term1
Z=50 Ohm
Num=1
Term
Term2
Z=50 Ohm
Num=2
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Term
Term1
Z=50 Ohm
Num=1
Term
Term2
Z=50 Ohm
Num=2
V_DC
SRC1
Vdc=Vsupply VMLIN
TL1
L=Länge mm
W=Breite mm
Subst="MSub1"
S_Param
SP1
Step=0.05 GHz
Stop=9 GHz
Start=3 GHz
S-PARAMETERS
MSUB
MSub1
TanD=0.0027
T=17.5 um
Cond=7.55e7
Mur=1
Er=3.55
H=0.51 mm
MSub
DC_Block
DC_Block1
DC
DC+RFRF
Erstellen Sie folgende Reports im DataDisplay:- Transmission: S21 in dB- Reflexion: S11, S22 in dB - Reflexion: S11, S22 im Smith-Chart
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3.3 Mikrostreifenleitungen
Smith-Chart
Wichtiges HF-Tool
2 Koordinatensysteme
Polar – Refelxionsfaktor in Betrag und Phase
Reflexionsfaktor - Komplexe Impedanzen berechnen
S(1
,1) m3
S(2
,2) m2
m2freq=S(2,2)=1.000 / 180.000impedance = Z0 * (0.000 + j0.000)
1.000GHz
m3freq=S(1,1)=1.000 / 0.000impedance = Z0 * (2.000E10 + j0.000)
1.000GHzC
C
ZR
ZRr
Last
Last
+
−=
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Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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4.1 Diode – Kennlinien
Temperaturverhalten?!
pn-Diode, Schottky Diode
DC
DC1
DCVAR
VAR1
Vd=1.0
EqnVar
Diode_Model
DIODEM1
AllParams=
Eg=
Xti=
Trise=
Tnom=
AllowScaling=no
Fcsw=
Vjsw=
Msw=
Cjsw=
Ikp=
Ns=
Gleaksw =
Rsw=
Jsw=
Ffe=
Af=
Kf=
Nbvl=
Ibvl=
Nbv=
Ibv=
Bv=
Ikf=
Nr=
Isr=
Imelt=
Imax=
Fc=
M=
Vj=
Cjo=
Cd=
Tt=
N=
Gleak=
Rs=
Is=
Diode
DIODE1
Mode=nonlinear
Trise=
Temp=
Region=
Scale=
Periph=
Area=
Model=DIODEM1
V_DC
SRC4
Vdc=Vd V
I_Probe
Id
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4.2 Diode – Anwendungen
In der HF wichtige Anwendung: Mischer
Mischer Frequenzumsetzer
Math. Grundlage ist Multiplikation von Winkelfunktionen
Diodenmischer – LO+RF nichtlineare Diodenkennlinie
Erzeugung entsprechender Frequenzanteile
2
)cos()cos()cos()cos(
LORFLORFLORF
tttt
ωωωωωω
++−=
RFω
LOω
IFω
AufwärtsAbwärts
LO ω RF ω RF LO ωω +LO RF ωω −
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4.2 Diode – Anwendungen
Einfachster Diodenmischer – Eintaktdiodenmischer
+Vorteil: Sehr einfach
-Nachteil: Isolation
Self-Mixing
Abstrahlung über Antenne
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4.2 Diode – Anwendungen
Bessere Isolation – Diodenringmischer
+Vorteil: Bei Symmetrie
perfekt isolierte Ports
-Nachteil:
Aufwändiger
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Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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5.1 Kennlinien
BJT
2 4 6 80 10
0
10
20
-10
30
Collector-Emitter Voltage [V]
Co
lle
cto
r C
urr
en
t [m
A]
0.00005 0.00010 0.00015 0.00020 0.000250.00000 0.00030
0.005
0.010
0.015
0.020
0.000
0.025
Base Current [A]
Colle
cto
r C
urr
ent
[A]
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.80.0 0.9
0.00000
0.00005
0.00010
0.00015
0.00020
0.00025
-0.00005
0.00030
Base-Emitter Voltage [V]
Ba
se
Cu
rre
nt [A
]
Stromverstärkung Ausgang
Eingang
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5.1 TransitfrequenzB
C
i
i=β
B
C
i
i=β
1==B
C
i
iβBei f = fT:
1E7 1E8 1E91E6 1E10
1E1
1E2
1
2E2
freq, Hz
ma
g(B
eta
)
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5.2 Temp. Stabilisierung
Vb
Vc
Vout
Vin
ParamSweep
Sweep1
Step=1
Stop=100
Start=0
SimInstanceName[6]=
SimInstanceName[5]=
SimInstanceName[4]=
SimInstanceName[3]=
SimInstanceName[2]=
SimInstanceName[1]="DC1"
SweepVar="temp"
PARAMETER SWEEP
R
R4
R=RC OhmI_Probe
IB
pb_mot_BFR93_19961218
Q1
AC
AC1
Step=10 MHz
Stop=5 GHz
Start=1 MHz
AC
V_DC
SRC2
Vdc=20 V
R
R2
R=R2 Ohm
R
R1
R=R1 Ohm
DC
DC1
DC
V_AC
SRC1
Freq=f req
Vac=polar(0.01,0) V
R
R3
R=RC Ohm
I_Probe
IoutDC_BlockDC_Block2
I_Probe
IC
DC_BlockDC_Block1
Spannungsteiler zur Temperatur-Stabilisierung
Weitere Stabilisierung möglichdurch Stromgegenkopplung(Widerstand RE am Emitter)+ Stabiliserung- Kleiner Spannugsverstärkung
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44
5.2 Widerstandswerte
Vb
Vc
Vout
Vin
ParamSweep
Sweep1
Step=1
Stop=100
Start=0
SimInstanceName[6]=
SimInstanceName[5]=
SimInstanceName[4]=
SimInstanceName[3]=
SimInstanceName[2]=
SimInstanceName[1]="DC1"
SweepVar="temp"
PARAMETER SWEEP
R
R4
R=RC OhmI_Probe
IB
pb_mot_BFR93_19961218
Q1
AC
AC1
Step=10 MHz
Stop=5 GHz
Start=1 MHz
AC
V_DC
SRC2
Vdc=20 V
R
R2
R=R2 Ohm
R
R1
R=R1 Ohm
DC
DC1
DC
V_AC
SRC1
Freq=f req
Vac=polar(0.01,0) V
R
R3
R=RC Ohm
I_Probe
IoutDC_BlockDC_Block2
I_Probe
IC
DC_BlockDC_Block1
10IB
11IB
IB
IC
Arbeitspunkt:
Vcc = 20 V
VCE,A = 2.5 V
VBE,A = 816 mV
IC,A = 20 mA
IB,A = 270 uA
R1
R2
RC
VCC
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45
5.2 Widerstandswerte
Ω=−
= 87520
)5.220(
mA
VVRC
Ω=×
−= k
A
VVR 46.6
27011
)816.020(1
µ
Ω=×
= 30227010
816.02
A
VR
µ
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47
Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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48
6.1 AP-Einstellung
- Externe Beschaltung: DC-Spannung, -Ströme einstellen (AP)
- Wechselsignalaussteuerung um AP
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49
6.1 AP-Einstellung
- Dimensionierung der Widerstände in der Schaltung zur
Basisstromeinprägung.
Großer Basiswiderstand stabilisiert IB
2.4 V
IC,A & UBE,A aus DC-Sim.
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50
6.1 AP-EinstellungB
C
i
i=β
B
C
i
i=β
- Dimensionierung der Widerstände in der Spannungsteiler-
Schaltung.
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51
6.2 Grundschaltungen
Emitterschaltung
vs. Basisschaltung
Vergleich:
-Eingangswiderstand
-Ausgangswiderstand
-Stromverstärkung
-Spannungsverstärkung
-Phasenverschiebung
zwischen Iin, Iout
sowie Vin, Vout
Bitte Stromgegenkopplung verwenden
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53
Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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55
7 MOSFET
MOSFET Layout
Sou
rce
Gate
Dra
in
Gate
Sou
rce
Gate
Dra
in
W
L
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57
7.1 MOS-Kennlinien
Ausgangskennlinienfeld
Operating region of MOSFET
Subthreshold region Linear or Triode region
Saturation region
VDsat increases with VGS
0
Id[
mA
]
Vds [ V ]
VDsat
Increasing VGS
VDS
IDDeep triode or
Linear region
VGS1VGS2
VGS3
Triode
(VDS < VDsat)
Saturaion (VD > VDsat)
Sub-threshold
(Vgs < Vth)
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58
7.1 MOS-Kennlinien
Transferkennlinie
Transconductance gm = ∂Id / ∂VGS
Vth0
Vgs
Id
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59
7.2 Grenzfrequenzen
Einsatzfrequenzbereich eines Transistors maßgebliche Kriterium
Nach oben hin im Wesentlichen durch zwei Effekte begrenzt:
Laufzeit der Ladungsträger Umladen von RC-Gliedern – parasitäre Kapazitäten, Bahnwiderstände
Abhängig vom Arbeitspunkt, Transistorgröße …
Transitfrequenz fT Frequenzpunkt bei dem Betrag der KS-Stromverstärkung auf 0 dB
abgesunken ist
KS-ESB MOSFET
G D
Cgd
Cgs g
dsC
dsgmvgs
SS
2
mT
Gate
gf
Cπ=
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60
7.2 Grenzfrequenzen
Gesucht: KS-Stromverstärkung I2/I1
Vierpol-Theorie: Hybrid-Parameter
Aus S-Parametern zu berechnen - stoh()
=
2
1
2221
1211
2
1
U
I
hh
hh
I
U
02|2112 =⋅= UhII
dB! 0)(21 T =fh
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61
7.2 Grenzfrequenzen
Oszillatoren, HF-Verstärker … bis zu welcher Frequenz ein Transistor in der Lage zu schwingen
Infolge einer Rückwirkung des Ausgangs auf den Eingang
Gewollt im Oszillator-Design
Parasitär im Verstärkerdesign
Voraussetzung für Schwingen: mind. Ausgangsleistung größer bzw. gleich der Eingangsleistung
Maximale Schwingfrequenz fMAX als der Frequenzpunkt definiert, bei dem die Leistungsverstärkung des Transistors bei Leistungsanpassung auf 0 dB abgesunken
Maxium Availble Gain MAG
MAG(fMAX)=0 dB !!!
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62
7.3 Rauschen
Rauschzahl F= SNRein / SNRaus
Wie viel Rauschen hinzugefügt?!
NF= dB (F)
Abhängig von Transistorgröße, Bias, Impedanzen …
Transistor – Rauschparameter 2Port
SOPT – Quellenrefl.faktor der min. Rauschzahl bewirkt
FMIN – minimal mögliche Rauschzahl bei Abschluss mit SOPT
RN – äquivalente Rauschwiderstand beschreibt Änderung der Rauschzahl bei Abweichungen von Sopt
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63
7.3 Rauschen
Rauschparameter in ADS berechnen – S-Parameter-Simulation
Definition Eingang, Ausgang
Rauschquellenverteilung
Messbandbreite, Dynamikbereich
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64
8. Si MOSFET: Source-Load-Pull
(Leistungstransistoren)
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65
Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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66
Transistor:
- KleinsignalmodellGültig nur für kleine RF-Signale(im Vergleich zum Arbeitspunkt)(S-parameter Analyse, AC Analyse)
- Großsignalmodell (Leistungstransistor)Modell Parameter hängen von RF Eingangsamplituden ab.(Transient, Harmonic Balance (HB) Analyse)
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67
B
C
i
i=β
B
C
i
i=β
HB-Simulation:
Simuliert die Nichtlinearitäten eines nichtlinearenBauelements, oder nichtlineare Schaltung.
Nichtlinearitäten: Gain Kompression, Sättigung..
Nichtlineare Bauelemente: Leistungstransistoren
Nichtlineare Schaltungen: Leistungsverstärker
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68
Source-Load-Pull
-Optimale Source-Load Impedanzen für maximaleAusgangsleistung, Gain oder Effizienz
-Optimale Impedanzen bei einem AP, Frequenz sowieRF Eingangsamplitude ermittelt.
Bias Supply
DUTLoad Tuner
Source Tuner
Bias Tee
Bias Tee
RFSource
PowerMeter
Zs ZlZinZout
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69
Source-Load-Pull
vload
Vs_low Vs_high
Refer to the Pow erPoint (TM) presentation "LoadPullPres.ppt" w ithin this example project directory for a detailed explanation of these load pull simulation setups.
Specify desired Fundamental Load Tuner coverage: s11_rho is the radius of the circle of reflection coefficients simulated. However, the radius of the circle will be reduced if it would otherwise go outside the Smith chart. If you want to override this and allow reflection coefficients outside the Smith chart, edit the SweepEquations VAR block, and set max_rho=mag(s11_rho)s11_center is the center of the circle of simulated reflection coefficientspts is total number of reflection coefficients simulatedZ0 is the system reference impedance
Set these values:
Set Load and Source impedances atharmonic frequencies
One Tone Load Pull Simulation; output power and PAE found at each fundamental load impedance
mf_phi_LF2805A_19930106
M1
VAR
VAR2
Z_s_5 =Z0 + j*0Z_s_4 = Z0 + j*0
Z_s_3 = Z0 + j*0
Z_s_2 = Z0 + j*0
Z_s_f und =2 + j*2.75
Z_l_5 =10*Z0 + j*0
Z_l_4 =10*Z0 + j*0Z_l_3 =10*Z0 + j*0
Z_l_2 =10*Z0 + j*0
Eqn
Var
VARSTIMULUS
Vlow=5.125
Vhigh=28
RFf req=1000 MHz
Pav s=30_dBm
EqnVar
VAR
SweepEquations
Z0=50
pts=300
s11_center =-0.0 +j*0.0s11_rho =0.99
EqnVar
HarmonicBalance
HB1
Order[1]=9Freq[1]=RFf req
HARMONIC BALANCE
I_Probe
Iload
C
C2
C=1.0 uF
C
C1
C=1.0 uF
I_Probe
Is_high
I_Probe
Is_low
L
L1
R=
L=1 uH
L
L2
R=
L=1 uH
S1P_Eqn
S1
Z[1]=Z0S[1,1]=LoadTuner
P_1Tone
PORT1
Freq=RFf req
P=dbmtow(Pav s)
Z=Z_s
Num=1
V_DC
SRC2
Vdc=Vlow
V_DC
SRC1
Vdc=Vhigh
VAR
global ImpedanceEquationsEqnVar
ParamSweep
Sweep2
PARAMETER SWEEP
VAR
VAR1
cells=28
EqnVar
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Source-Load-Pull
indep(Pdel_contours_p) (0.000 to 30.000)
Pdel_
conto
urs
_p
m2
m2indep(m2)=Pdel_contours_p=0.676 / 148.940level=37.364584, number=1impedance = Z0 * (0.208 + j0.267)
3
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Termine
19. 04. Einführung: Grundlagen von ADS
26. 04. Einführung: Schwingkreise und Filter (AC-Analyse)
03. 05. Einführung: Leitungen (Transient-/ S-Parameter-Analyse)
10. 05. Diode: Kennlinien und Anwendungen
17. 05. Transistor: Kennlinien und Parameter
24. 05. Transistorgrundschaltungen
31. 05. Si-MOSFET
07. 06. Load/Source-Pull MOSFET
14. 06. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
21. 06. Bei Bedarf Fragen bzgl. Rücksprache klären (1-2h)
28. 06. Rücksprache
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73
GaAs-MESFET Verstärker betrachten
Aufgabe 9.1 b) Für welche Arbeitsfrequenz entworfen???
Verstärkung, Anpassung … auf 50-Ohm-Ebene
Kleinsignalanalyse ausreichend (S-Parameter)
V_DCSRC4Vdc=-0.9 V
LL3
R=L=16.7 nH
V_DCSRC5
Vdc=3 V
LL4
R=L=9.0 nH
CC3
C=1.0 uF
C
C6C=1.8 pF
RR2R=65 Ohm
pf_hp_ATF21170_19931015
A1
L
L5
R=
L=4.7 nH tRR1R=5000 Ohm
CC4
C=1uF
L
L2
R=L=1.1 nH t
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
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74
Leistungskompression (Pout, Gain vs. Pin)
Harmonic Balance Simulation Freq[1] – Signalfrequenz
Order – Ordnung n für Reihenentwicklung (n*Freq[1])
z.B. Freq[1]= 1 GHz, Order = 5
Spannungen, Ströme in Vektorform
Gesamtspannung ergibt sich aus Überlagerung der einzelnen Frequenzanteile (kann z.B. Rechteckform ergeben)
Leistung auf der Grundwelle aus Vout[1]
Pout=dBm(Vout[1],50)
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
HarmonicBalance
HB1
Step=0.25
Stop=10
Start=-15
SweepVar="Pin"
Order[1]=5
Freq[1]=RFfreq GHz
HARMONIC BALANCE
Vout[0] DCVout[1] 1 GHzVout[2] 2 GHzVout[3] 3 GHzVout[4] 4 GHzVout[5] 5 GHz
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75
1dB-Kompression für einen Verstärker
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
Vgs
Ids
AP
t
t
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76
Intermodulation Wechselwirkung zwischen zwei Eingangssignalen benachbarter Freq.
z.B. modernes OFDM-Signal besteht aus Vielzahl von Träger-Signalen
Einfacher Test um Intermodulation zu untersuchen Zwei-Ton-Aussteuerung
Eingangssignal
Verstärker mit nichtlinearem Verhalten
Kennlinie kann mit Polynom beschrieben werden
Ausgangssignal
Es entsteht eine Vielzahl von Frequenzanteilen/Mischfrequenzen
n=q+p Ordnung
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
)ω2tcos()ω1tcos(Vin +=
ω1 ω2 f
P
...Vin³ a3Vin² a2Vin a1Vout +++=
ω2*pω1*qp]Freq[q, +=
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77
Ausgang mit Ordnung n=3
Frequenzanteile 3. Ordnung sehr nahe am Signal (schlecht zu filtern)
Abstand (IM3) zwischen Signal und IM3-Produkte muss groß sein
IP3 Intercept Point 3rd Order (TOI)
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
IIP3
OIP3
Pin [dBm]
Po
ut
[dB
m]
ω1 (Anstieg=1)
2ω1-ω2 (Anstieg=3)
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78
Diese Effekte in ADS simulieren
Wichtig: Strom, Spannung sind wieder für jede Mischfrequenz definiert
z.B. Order n=3, f1=1 GHz, f2=1.1 GHz
Gesamtspannung ergibt sich aus Überlagerung der einzelnen Frequenzanteile
Spannung auf einzelnen Frequenzanteilen mit Hilfe von mix()
Grundwelle: Vout_grundwelle=mix(Vout,1,0)
( Mischfrequenz=1*f1+0*f2)
IM-Produkt dritter Ordnung: Vout_IM3=mix(Vout,2,-1)
( Mischfrequenz=2*f1-1*f2)
Leistung IM-Produkt dritter Ordnung: Pout_IM3=dBm(mix(Vout,2,-1,50)
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
freq
0.0000 Hz100.0 MHz800.0 MHz900.0 MHz1.000 GHz1.100 GHz1.800 GHz1.900 GHz2.000 GHz2.700 GHz2.800 GHz2.900 GHz3.000 GHz
Vout
0.000 (DC)0.035 (f2-f1)0.025 (2f2-f1)0.692 (f1)0.755 (f2)0.037 (2f1-f2)0.186 (2f1)0.454 (f1+f2)0.206 (2f2)0.038 (3f1)0.065 (2f1+f2)0.065 (2f2+f1)0.027 (3f2)
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79
IP3-Simulation
9. GaAs MESFET – Nichtlineare Effekte
freq
0.0000 Hz100.0 MHz800.0 MHz900.0 MHz1.000 GHz1.100 GHz1.800 GHz1.900 GHz2.000 GHz2.700 GHz2.800 GHz2.900 GHz3.000 GHz
Vout
0.000 (DC)0.035 (f2-f1)0.025 (2f2-f1)0.692 (f1)0.755 (f2)0.037 (2f1-f2)0.186 (2f1)0.454 (f1+f2)0.206 (2f2)0.038 (3f1)0.065 (2f1+f2)0.065 (2f2+f1)0.027 (3f2)
Pin [dBm]
Lin1
Po
ut
[dB
m]
Lin3
IM3-Produkt
Grundwelle
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80
Themen:
Simulation von Schwingkreisen (AC)
Leistungsanpassung mit λ/4-Leitung (SP)
Kennlinien - Diode, Transistoren, Welche Transistoren (DC)
KS-ESB Transistor
Kenngrößen: Steilheit, fmax, ft …
Eingangs-/Ausgangsimpedanzen, Verstärkung, Refelxionsfaktor (SP)
Kompressionskennlinien, P1dB (HB)
Intermodulation, IP3 (HB)
10. Rücksprache