• Author / Uploaded
• Carlos Largo

• Categories
• Impedancia eléctrica
• Energia electrica
• Transistor
• Ingeniería Electrónica
• Electrónica

Citation preview

1

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN AMPLIFICADOR CLASE F CON DISPOSITIVO GaN-HEMT CGH40010 A 1.5GHz . Carlos Largo, Felipe Sanabria Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Resumen—En este informe presenta el análisis y diseño amplificador clase F con un dispositivo transistor de alta movilidad de electrones HEM teniendo en cuenta la red parásita y redes de acople en la entrada y salida para sus armónicos y frecuencia fundamental. Adicionalmente, se muestra la simulación empleando un dispositivo CGH40010, con el propósito de rectificar los datos obtenidos en el análisis realizado de tal manera que la operación del amplificador sea la esperada a una frecuencia de 1.5GHz. Índice de Términos— Amplificador de potencia, GaN-HEMT, red parásita.

II. PROCEDIMIENTO El diseño de un amplificador clase F consiste en encontrar una red de acople de salida, de tal manera que un corto circuito sea presentado al drenaje intrínseco del dispositivo a la segunda frecuencia armónica, mientras que un circuito abierto debe ser generado a la tercera; en realidad teóricamente es una impedancia real de gran magnitud que depende del ángulo de conducción del drenaje, pero en muchos casos simplemente una impedancia con magnitud relativamente grande es una buena aproximación.

I. INTRODUCCIÓN Los amplificadores de potencia (PA, del inglés Power Amplifier), son de vital importancia en muchos sistemas de microondas, abarcando una amplia gama de áreas como telecomunicaciones, radares, medicina, calefacción, entre otras .El PA cumple la función de convertir la potencia DC en potencia de RF; en el diseño del PA se debe buscar alta eficiencia para así obtener menores costos en la transmisión de información. Entre algunos dispositivos se destacan el BJT, HBT, FET, MOSFET, LDMOS, MESFET y HEMT El HEMT es un transistor con alta movilidad de electrones muy utilizado en amplificadores de potencia, ya que logra mayores niveles de potencia de salida. Los materiales comúnmente usados en este dispositivo son AlGaAs, Al/InGaAs y AlGaN. El amplificador clase F el cual, a partir de la síntesis de sus formas de onda de voltaje y corriente en el drenaje o colector del dispositivo, alcanza eficiencias relativamente altas. En este caso, asumiendo una forma de onda para la corriente de drenaje (o colector) del tipo sinusoidal truncado, la idea es que el voltaje de drenaje tenga una forma de onda cuadrada, de tal forma que se evite al máximo el traslape entre voltaje y corriente, evitando así la disipación de energía a través del dispositivo e incrementando a su vez la eficiencia. En este informe se presenta la secuencia de pasos realizada para diseñar un amplificador clase F con un dispositivo HEMT CGH40010 a una frecuencia de trabajo de 1.5Ghz observando respectivamente las simulaciones verificando así los resultados obtenidos.

A. CARACTERIZACIÓN IMPEDANCIAS DE RED PARÁSITA PRIMER Y SEGUNDO ARMÓNICO.

Fig. 1. Red parásita.

Teniendo en cuenta la red parásita hallada en análisis anteriores para el dispositivo de alta movilidad de electrones CGH40010, se hallan las respectivas impedancias capacitivas e inductivas para cada una de las frecuencias de segundo armónico y tercer armónico. Impedancias a 2fo: En este caso para el segundo armónico se tiene una frecuencia de 3 GHz. Z  j  w  L  j  2  3  109  0.532  109 L Z  10.028 j (0.1) L 1 1 Z   c j  w  c j  2  3  109  1.416  1012 (0.2) Z  37.4659 j c Impedancias a 3fo: En este caso para el segundo armónico se tiene una frecuencia de 4.5 GHz.

2

Z

L

Z x  ( Z c / /0)  Z L  Z L

 j  w  L  j  2  4.5  109  0.532  109 Z

L

 15.0168 j

Z x  Z L  j10.028

(0.3)

1 1 Z   c j  w  c j  2  4.5  109 1.416 1012 Z  24.9772 j c

(0.4)

(0.7)

De esta manera se puede obtener la longitud eléctrica para la línea de transmisión que controla el acople al segundo armónico:

Z x  jZ o tan(2 E2 )  j10.028  j 50 tan(2 E2 )

B. CONTROL SEGUNDO ARMÓNICO.

E2  84.329 gradoseléctri cos

Se realiza la comprobación para el segundo armónico observando el parámetro S (1,1) a 3Ghz.

Fig. 2. Red acople armónicos.

Se realiza el análisis de la topología mostrada teniendo en cuenta que el transformador λ/4 para el control del segundo armónico está en circuito abierto por lo cual: Z 02 50    (0.5) Zl 0 Lo cual indica que la línea de control para el segundo armónico en su carga ve un circuito abierto, por lo cual Zx está dada por: Z in 

Z x  jZ o tan(2 E2 )

(0.6)

Fig. 3. Control segundo Armónico.

2E2 Se tiene el factor debido a que se quiere hallar la longitud eléctrica de la línea que controla el acople del segundo armónico. Teniendo en cuenta la red parásita del dispositivo para realizar el acople del drenaje intrínseco para el amplificador clase F y que para esta clase de amplificador al segundo armónico se quiere ver un corto circuito en el drenaje intrínseco como se observa en la figura 3, se tiene qué:

3

Fig. 3. Control segundo Armónico.

Fig. 3. Corto circuito al segundo Armónico.

C. CONTROL TERCER ARMÓNICO.

Fig. 4. Control tercer armónico.

4

Se realiza el análisis de la topología mostrada teniendo en cuenta que el transformador λ/4 para el control del tercer armónico está en circuito abierto por lo cual:

Finalmente se halla la longitud eléctrica de la línea de transmisión para el control del tercer amónico: Z y (3 fo)  jZ o tan(3E3 )

Z 2 50 Z in  0    (0.8) Zl 0 Lo cual indica que la línea de control para el tercer armónico en su carga ve un circuito abierto, por lo cual Zy está dada por:

Z y (3 fo)  jZ o tan(3E3 )

(0.9)

Se tiene el factor 3E3 debido a que se quiere hallar la longitud eléctrica de la línea que controla el acople del tercer armónico. Teniendo en cuenta la red parásita del dispositivo para realizar el acople del drenaje intrínseco para el amplificador clase F y que para esta clase de amplificador al tercer armónico se quiere ver un circuito abierto en el drenaje intrínseco como se observa en la figura 4, se tiene qué:

Z x (3 fo)  Z c (3 fo)  Z L (3 fo) Z x (3 fo)  j15.0168  j 24.9772

(0.10)

Z x (3 fo)   j 9.96038 Teniendo en cuenta el efecto que produce la línea TL2 mostrada en la figura 4, que para el segundo armónico tiene una longitud de 90 grados eléctricos, a la frecuencia fundamental posee una longitud eléctrica de 45 grados ,pero para el tercer armónico la línea termina en abierto ,por lo cual se tiene que: Z y´   jZo cot((3 2)  90) Z x´  Z y / / Z y ´

(0.11)

Se halla la impedancia Zx´ teniendo en cuenta la definición de impedancia en cualquier punto de la línea de transmisión.

 Z (3 fo)  jZo tan(3E2 )  Z x´ (3 fo)  50  x   Zo  jZ x (3 fo) tan(3E 2)   j9.96038  j50 tan(3  84.329)  Z x´ (3 fo)  50   (0.12)  50  j 9.90638tan(3  84.329)  Z x´ (3 fo)  j 92.9406 Reemplazando Zx´ en la ecuación 0.11 se puede obtener el valor de Zy: j 92.9406 

Z y  j 50 Z y  j 50

Z y   j 32.5102

(0.13)

32.5102 j  j 50 tan(3E3 )

(0.14)

E3  48.9893

Se realiza la comprobación para el tercer armónico observando el parámetro S (1,1) a 4.5Ghz.

5

Fig. 5. Control tercer armónico.

Fig. 6. Circuito abierto al tercer Armónico.

D. SIMULACIÓN RED COMPETA CON BIAS T.

En bias T cumple la función de detener cualquier señal con una frecuencia de diferente de 0Hz que interfiera con componentes como fuentes DC.

Fig. 7. Control segundo y tercer armónico

6

Fig. 8. Control segundo y tercer armónico

C. ACOPLE A LA FRECUENCIA FUNDAMENTAL. Para realizar el acople a la frecuencia fundamental, en este caso de 1.5 GHz hay que tener en cuenta las curvas características del dispositivo, con una polarización de VDS=28 v, para su normal operación.

El valor de ZL dado en la ecuación (0.1), permite que el dispositivo al ser excitado con una señal sinusoidal, tenga una curva dinámica como la mostrada en la figura 9, exactamente al entrar en saturación. Esto indica un factor de utilización del 100% del dispositivo.

Fig. 9. Corriente máxima

7

tendencia en este tipo de dispositivos polarizados en clase B o AB, su componente fundamental estará dada por:

Siendo, Imax la corriente de saturación del dispositivo (ver figura 9), y φ es el ángulo de conducción, el cual depende de la polarización (voltaje de compuerta VGG) del dispositivo. Por ejemplo, si el dispositivo es polarizado en clase B, φ es igual a π radianes. El ángulo de conducción debe estar teóricamente entre π y 2π radianes. En este caso se asume un ángulo de conducción de 190 grados. Y la corriente máxima de saturación del dispositivo es de 2.07A., por lo cuál la componente fundamental de la corriente es:

Fig. 10. Voltaje de pinchoff

La carga fundamental debe estar dada por la carga del amplificador de carga sintonizada, multiplicada por un factor de 1.15. En otras palabras, la carga ZL del amplificador clase F es real y 15% mayor a la carga del circuito con carga sintonizada. Así

Zl 

1.15(VDD  V pinchoff ) I1

(0.15)

Donde, VDD es el voltaje de polarización drenajefuente,e I1 es la componente fundamental de la corriente de drenaje. Nótese que si consideramos la corriente de drenaje con una forma de onda del tipo sinusoidal truncada, como es la

Fig. 11. Impedancia óptima en puerto 1

I1 

2.07 3.316  sin(3.316)   1.0575A 2 1  cos(3.316 2)

Zl 

(0.16)

1.15(28  3.3)  26.8605  1.0575

Para realizar el acople, se pone el valor de la impedancia óptima en el puerto 1, debido a que en el drenaje intrínseco se debe obtener una impedancia de 26.8605 ohms, luego se lee el parámetro S (2,2) para saber la impedancia de cual se debe realizar el acople a 50 ohms,

8

Fig. 11. Impedancia vista en el en puerto 2

Se realiza el acople a la fundamental al conjugado de la impedancia obtenida para garantizar que la red de control de armónicos tenga la máxima transferencia de potencia. Para esta red de acople, se emplean dos líneas de transmisión, un stub en circuito abierto en paralelo con el puerto de 50 ohms, el cual generará un movimiento mediante un circulo constante de resistencia y agregara una pare imaginativa jbs que puede ser positiva o negativa ubicando la magnitud del coeficiente de reflexión. Y la línea en serie modifica la fase del coeficiente de reflexión. Este acople se realiza por sintonización de las líneas de transmisión, lo cual va a determinar la longitud que debe tener cada línea para acoplar la impedancia del puerto a la impedancia deseada:

Fig. 12. Acople a la fundamental

Fig. 12. Red de Acople a la fundamental

9

D. RED DE ACOPLE DE SALIDA COMPLETO.

Fig. 13. Red de Acople de salida completo

Fig. 14. Tabla parámetros s

En la tabla se observan los diferentes parámetros de dispersión para la red de acople de salida a la frecuencia fundamental y al segundo y tercer armónico. Análisis a la frecuencia fundamental:

S(1,2): La transmisión en inversa en este caso es 1 per con un desfase de 50.126 grados. S(2,1): el coeficiente de transmisión en directa de la red de dos puertos es 1, se transmite toda la onda con un desfase de 50.126 grados. S(2,2): No hay reflexión para el puerto 2.

S(1,1): es cero debido a que la red esta acoplada, no hay onda reflejada.

Para corregir el desfase de los coeficientes de transmisión se coloca una línea de transmisión en serie en el puerto dos del valor que tiene el desfase y se coloca un condensador para bloquear la señal en dc.

Fig. 14. Red de Acople de salida completo

10

Fig. 15. Tabla parámetros s

Fig. 16. Simulación red de salida.

Para poder acceder al drenaje intrínseco en simulación, se agrega la red parásita hallada pero con signos negativos para que la red parásita se cancele

Fig. 17. Red de salida completa

E. RED DE ACOPLE DE ENTRADA: Para realizar el acople de entrada, se halla la impedancia a la cual se debe realizar el acople en el puerto de entrada empleando la carta de Smith y evaluando el parámetro S(1,1), el acople se hace al conjugado de la impedancia hallada para garantizar la máxima transferencia de potencia:

Fig. 18. Impedancia para acople de entrada..

Se realiza el acople al conjugado de la impedancia obtenida para garantizar la máxima transferencia de potencia. Para esta red de acople, se emplean dos líneas de transmisión, un stub en circuito abierto en paralelo con el puerto de 50 ohm, el cual generará un movimiento mediante un circulo constante de resistencia y agregara una pare imaginativa jbs que puede ser positiva o negativa ubicando la magnitud del coeficiente de reflexión y la línea en serie modifica la fase del coeficiente de reflexión. Este acople se realiza por sintonización de las líneas de transmisión, lo cual va a determinar la longitud que debe tener cada línea para acoplar la impedancia del puerto a la impedancia deseada:

Fig. 19. Red de acople de entrada..

11

IMPLEMENTACIÓN FINAL Y RESULTADOS.

Teniendo en cuenta la red de acope de salida, que ha sido diseñada para obtener un corto circuito al segundo armónico, un circuito abierto al tercer armónico y un acople al conjugado de una impedancia deseada hallada anteriormente asegurando la máxima transferencia de potencia a las redes de control de armónicos, además de esto, considerando la zona de saturación del dispositivo y empleando el software de simulación ADS, se diseñada un amplificador clase F a una frecuencia fundamental de 1.5Ghz,con un dispositivo GaNHEMT CGH40010 ,y una red parásita con C=1.416pF y L=0.632nH presente debido a diferentes factores como el empaquetado físico. También se establece una red de acople de entrada.

Fig. 18. Red de acople de entrada.

Fig. 19. Red de acople de entrada.

Por otra parte se realizó la implementación de los bloqueos en dc mediante el diseño de Bias T y el bloqueo en ac se realiza mediante capacitores, lo cual se acerca un poco más a una implementación física real

12

Fig. 20. Red de acople de salida.

Los valores de VDD y VGG son 28 V y -2.7 V respectivamente, los cuales presentan una polarización clase AB cercana a clase B La figura 21 muestra las formas de onda obtenidas para la corriente y el voltaje de drenaje cuando se

entra en saturación. Nótese la tendencia del voltaje de drenaje a ser una onda cuadrada y el de la corriente a ser una sinusoidal truncada.

Fig. 21. Formas de onda de voltaje y corriente.

Tabla 1. Impedancias a la frecuencia fundamental y armónicos vistos en el drenaje.

13

La figura 22 muestra los resultados de eficiencia de drenaje, ganancia transducida y potencia de salida en función de la potencia disponible desde la fuente de excitación. Como puede notarse una eficiencia en saturación de 74.504 % ha sido

obtenida, junto con una ganancia a pequeña señal de 17.180 dB y una potencia de salida en saturación de 42.180 dBm , se hace la comparación teniendo en cuenta la tabla 1.

Fig. 22. Figuras de mérito amplificador clase F

Tabla 2. Datos comparativos Amplificador Clase F

CONCLUSIONES 



En este informe se muestran las diferentes ecuaciones y consideraciones que pueden ser útiles para el diseño de un amplificador clase F de la red de acople de salida, teniendo en cuenta la red parásita con acople a la frecuencia fundamental , al primer y segundo armónico, aumentando la eficiencia para esta configuración .Así mismo se describe el acople de entrada del amplificador realizado con líneas de transmisión La efectividad de las ecuaciones y el análisis teórico realizado para el diseño, se comprueba mediante la simulación de la configuración de un amplificador clase F a una frecuencia de 1.5Ghz en el software ADS en dónde se obtienen las forma de onda de voltaje, que para este caso tiende a ser una onda



cuadrada y la forma de onda de corriente una senoidales truncada, como sugiere la teoría sobre amplificadores clase F. Se comprueba la eficacia del diseño realizado mediante la comparación de diferentes parámetros para el amplificador clase F realizados teóricamente y el diseño que se realizó y simulo encontrando que los parámetros establecidos como ganancia transducida, eficiencia y potencia de salida se encuentra dentro de un rango aceptable en comparación a los diseños enunciados.