Aufbau und Untersuchung einer Verstärkerschaltung mit ... · Aufbau und Untersuchung einer...

Aufbau und Untersuchung einer

Verstärkerschaltung mit

kartesischer Rückkopplung

Montag, 7.

Oktober 2013Universität Duisburg Essen Fachgebiet Hochfrequenztechnik

Vortrag über die Masterarbeit

von Ouajdi Ochi

Fachgebiet Hochfrequenztechnik

Prof. Dr-Ing. K.Solbach

Montag, 7.

Oktober 2013Universität Duisburg Essen Fachgebiet Hochfrequenztechnik

Inhalt Motivation

Cartesian Feedback

Entwurf der

Teilschaltungen

Simulation

Stabilitätsbetrachtung

Realisierung und

Messergebnisse

Zusammenfassung

•Motivation

•Cartesian Feedback

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Stabilitätsbetrachung

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Motivation

3 Ouajdi Ochi Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik

Magnetresonnaztomographie MRT:

Nichttoxische Bildgebungsmodalität

Beruht auf Magnetfelder

Nicht invasiv

Höhere Bildauflösung

Quelle: Siemens

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Motivation

Schichtaufnahme eines bestimmten Körperregions

Anregung zusätzlicher Magnetfelder durch Magnetspulen

gepulster Leistungsverstärker speisen die Magnetspulen

mit Hochfrequenzstrom ein.

Anforderungen:

Homogene Anregung

Erzeugung und Detektion

eines Magnetfeldes

(Sende-/ Empfangsspulen)

Probleme:

Verzerrungen

Fehlanpassung an

Sender/Empfänger

Quelle: Siemens

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Motivation

Lösung:

Verstärkerausgang muss angepasst werden

Einsetzen von Linearisierungsverfahren

Bekannte geeignete Technik:

Kartesische Rückkopplung (engl.: Cartesian Feedback)

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Cartesian Feedback

Blockschaltbild:

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Cartesian Feedback

Funktionsweise:

1) Vergleich zwischen Eingangs- und Ausgangssignal:

Bildung eines Fehlersignals

2) Zerlegung des Fehlersignals in seinen kartesischen

Komponenten I und Q (Quadraturkomponenten)

Frequenz um Null Hz

3) Tiefpassfilterung und Verstärkung

4) Steuerung des IQ-Modulators: Anhebung, Absenkung

und/oder Phasenverschiebung des Eingangssignals

5) Ausgangssignal wird kontinuierlich korrigiert

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Cartesian Feedback

Vorteile:

Regelung der gesamten Strecke

Moderate Komplexität

Nachteile:

Stabilitätsproblem (Schaltung mit Rückkopplung)

Die Hauptkomponenten der kartesischen Rückkopplung:

IQ-Modulator

IQ-Demodulator/Komparator

RF-Modulator

10W-Leistungsverstärker

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Entwurf der Teilschaltungen

Der 10W-Leistungsverstärker:

Topologie:

3 Stufenverstärker:

1) IC Max2027

2) PHA1+ (Zwischenstufe)

3) MOSFET MRF6V2010N (Endstufe)

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Für Endstufe:

Load Pull Analyse zur Bestimmung des Eingangs- und

Ausgangsimpedanzen bei 300 MHz

Anpassungsnetzwerke optimieren

Eigenschaften der Platine

Material : RO 4003

Dicke: 0.81 mm

Länge: 145 mm

Breite: 70 mm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

RF-Modulator:

Pulsmodulation und Ableitung nötiger Signale für die

Regelschleife

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Prinzip der IQ-Modulation:

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Das Verstärkermodell:

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Charakterisierung des 10W-Leistungsverstärkers:

AM-AM AM-PM

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Simulationsmodell:

Verbesserung

der Stabilität!

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Linearisierung des Leistungsverstärkers:

Zweitonsignal: 10 kHz Abstand bei 300 MHz Center Freq

Verzerrungen werden unterdrückt:

Abstand Träger-Intermodulationsprodukte:

Open Loop: 28,46 dBm

Closed Loop: 39,51 dBm

Verbesserung: ca.11 dBm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Der 1dB-Kompressionspunkt:

Open Loop: 38,2 dBm

Closed Loop: 42,5 dBm

Gewinn=41,2 dBm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Korrekturverhalten der Regelschleife: 50 Ohm Zustand

Open Loop Closed Loop

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Korrekturverhalten bei 1 kOhm:

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Simulation

Korrekturverhalten bei 10 Ohm:

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Die offene Schleifenverstärkung: Wie viel Verstärkung, Dämpfung

und Phasenverschiebung erfährt ein Testsignal beim Durchlaufen

der kompletten Regelschleife.

Amplitudenreserve: ist der reziproke Wert des Amplitudengangs

der offenen Regelschleife bei der Phasenschnittkreisfrequenz:

Phasenreserve: ist die Differenz des Phasengangs der offenen

Regelschleife zu -180° bei der Durchtrittskreisfrequenz:

Stabilitätsgüte : Einschwingverhalten bei einer Sprung-

förmigen Änderung.

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Bestimmung des Amplituden- und Phasengangs des offenen

Regelkreises

Testsignal: 0dBm

Messung

Kein Vergleichsvorgang

Sinussignal

Trennung

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Einfluss der Filterbandbreite:Durchtrittskreisfrequenz

-180°

PM=92° PM=29°PM=71° PM=55°

308,2 MHz

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Lastimpedanzen/Filterbandbreite

Z=50+j*50 Ohm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Lastimpedanzen/Filterbandbreite

BW=10 MHz

BW=3 MHz BW=1 MHz

BW=5 MHz

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Lastimpedanzen mit kapazitivem Anteil

PM=92°

PM=32°

PM=88°

PM=86°

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Lastimpedanzen mit induktivem Anteil

PM=125°

PM=113°

PM=108°

PM=92°

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Einfluss der Phase des LO-Signals: Leerlauf

PM=25°

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Einschwingverhalten bei verschiedenen LO-Phasen

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Realisierung und Messergebnisse

Die Messanordnung

Potentiometer

37.12 dBm

26 dBm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Korrekturverhalten bei Leerlauf:

Open Loop

Closed Loop

Closed LoopLeerlauf Leerlauf

´50 Ohm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Z=140-j*50 Z=140-j*50

Korrekturverhalten bei verschiedenen Abschlussimpedanzen:

3dB Dämpfungsglied: 140-j*50 Ohm

6dB Dämpfungsglied: 77-j*25 Ohm

3dB+ Leitung : 15-j*6 Ohm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Z=15-j*6Z=15-j*6

Open LoopZ=77-j*25 Z=77-j*25

Closed LoopOpen Loop

Z=40 Ohm Z=40 Ohm

Open Loop

Closed LoopOpen Loop

15-j*6 Ohm 15-j*6 Ohm

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Einfluss der LO-Phase auf die Stabilität: Leerlaufbetrieb

-129,37°

-171°-151,2°

-137°

Instabilität!!

•Motivation

•Entwurf der

Teilschaltungen

•Simulation

•Realisierung und

Messergebnisse

•Zusammenfassung

Zusammenfassung

Geringe Filterbandbreite verbessert das Stabilitätsverhalten

der Regelschleife.

Kapazitive Lastimpedanzen verursachen negative

Phasendrehung und reduzieren damit die Phasenreserve.

Je kleiner die Phasenreserve ist, desto stärker neigt das

System zu schwingen.

Die Regelung kann bei sehr niedrigen kapazitiven

Lastimpedanzen nicht wie gewünscht korrigieren.

Die Regelung funktioniert nur wenn der Leistungsverstärker

nicht im Sättigungsbereich betrieben wird: Verzicht auf Leistung

für mehr Regelung.

Der DC-Arbeitspunkt des IQ-Modulators muss für mehr Dynamik

im unteren linearen Bereich eingestellt werden.

Die Phasendrehung des Lokaloszillatorsignals beeinflusst

stark das Einschwingverhalten und führt im Extremfall

zur Instabilität.

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