Tesina Elettronica delle tlc

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"Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo
con lo standard 802.11b"

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  • 1. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11b Elettronica delle Telecomunicazioni A.A. 2009-2010 Università degli studi di Ferrara Dipartimento di Ingegneria Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bStudente: Prof. Giorgio VanniniSferrazza GiovanniNome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 1 di 12
  • 2. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bScopo dell’esperienza:Si vuole progettare un amplificatore di potenza per amplificazioni WLAN, come descritto nellostandard 802.11b (noto anche come WI-FI).Quest’ultimo fornisce una serie di specifiche per le reti WLAN, che servono a definireun’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 802.11b.Dispositivo utilizzato:Tra due dispositivi a disposizione si è scelto di utilizzare il modello “NESG2101M05” della NECCompound semiconductor devices. Si è scelto questo dispositivo poiché supporta una potenzamassima dissipabile maggiore rispetto l’altro. Tale scelta è legata anche alla decisione di far operarel’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 : 500mWSi sono inseriti inoltre tutti i parametri specificati nel datasheet, riferiti alle componenti parassite edintrinseche del dispositivo.E’ stata svolta la convalida del modello, e si è proseguita la progettazione.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 2 di 12
  • 3. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bSchema circuitale del dispositivo:Lo schema implementa il modello intrinseco del dispositivo e le reti passive esterne inserite permodellare gli effetti parassiti del package.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 3 di 12
  • 4. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bRete di polarizzazione:Abbiamo scelto di polarizzare il circuito in classe A per essere in grado di rispettare al meglio ivincoli di linearità e guadagno, a discapito dell’efficienza, che dalle specifiche sembravano moltostringenti.Per polarizzare il circuito è stato adottato un partitore di tensione al circuito base, in modo da fissarela IBase ed assumere che la tensione di alimentazione sia pari alla tensione VCE voluta.Le resistenze R1 e R2 del partitore, sono state ricavate tunando il dispositivo, fino a trovare il valoredi Ic che più si avvicinasse a:Ic=Ic max/2= 100/2= 50mAE considerando:Vceo= (5V+0,45)/2  2,75VNome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 4 di 12
  • 5. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bAnalisi della stabilità:Si è eseguita questa analisi tenendo conto che a frequenze inferiori di 10MHz i modelli deidispositivi perdono la loro accuratezza e i risultati non sono più attendibili. La massima frequenzaper l’analisi è invece la Fmax del transistor, alla quale il guadagno del transistor è 0dB, considerata a20GHz.Si è inserita una rete di stabilizzazione tra la porta d’ingresso ed il Bias-tee d’ingresso, costituita dauna resistenza (che serve a stabilizzare a bassa frequenza) ed un parallelo RC (che serve astabilizzare ad alta frequenza, bypassado la resistenza alla frequenza di lavoro dei 2,4 – 2,5GHz, inmodo da non far crollare il guadagno):Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 5 di 12
  • 6. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bQuesta rete è stata dimensionata tramite tuning, tenendo come riferimento il grafico dei parametriK, 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 S21) nella bandadi lavoro:Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 6 di 12
  • 7. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bTerminazione di carico:Si è calcolata la resistenza di carico ottima (RLopt) seguendo la teoria “Load Line”, secondo la qualeper un dispositivo polarizzato in modo ottimale in classe A, si può determinare:RLopt=(Vcemax-Vcesat)/IcmaxDove Vce e Ice massimi, sono i massimi valori che ammette il transistor, mentre Vcesat corrispondeal ginocchio della caratteristica I-V del dispositivo.Le misure sono state realizzate in regime statico (corrente e tensione continua) dove sonotrascurabili gli effetti parassiti.Il valore così calcolato è quindi riferito al valore che deve vedere il dispositivo intrinseco; ciò però ètrascurabile, ed è possibile applicare RLopt direttamente ai capi del transistor, tra collettore edemettitore, 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 ildispositivo 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 802.11b.doc Pagina 7 di 12
  • 8. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bTerminazione di sorgente:Terminato il transistor, si è misurato S11 (che coincide con ΓIN), si è inserita una terminazione disorgente tenendo conto che il guadagno massimo si ha quando Γs=S11*.Si è scelto dunque un valore di Γs tramite lo strumento “L-tuner”, tale che il guadagno sia almeno10dB 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 cheΓs≠ 0):Grazie a queste terminazioni si è ottenuto un guadagno di 12db in banda di lavoro ben superiore allespecifiche di progetto.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 8 di 12
  • 9. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bAnalisi Harmonic Balance (HB) a singolo tono:L’analisi HB serve a verificare la performance del circuito in funzione non lineare, tramitevalutazione della caratteristica di compressione del guadagno in uscita, al variare della potenza iningresso.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 èstata valutata la compressione del guadagno come differenza tra il punto considerato, ed il puntocon -10dBm di potenza in ingresso.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 9 di 12
  • 10. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bCome si può vedere dai grafici sopra riportati, si è in grado di ottenere la potenza in uscita richiestadalle 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 allemassime 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 valoriistantanei 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 ivalori di Ic e Vce non superano i limiti massimi stabiliti nel datasheet, per le frequenze di lavoro: Vcemax = 5V Icmax = 100mACome si può vedere dal grafico sopra riportato, la retta di carico dinamica presenta cicli di isteresiper via di effetti reattivi.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 10 di 12
  • 11. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bTuning Armonico:Stiamo considerando un circuito non lineare, e ciò comporta che la risposta non dipende solo dallaterminazione di carico alla frequenza di lavoro, ma anche dalle terminazioni di carico alle variearmoniche.Il processo di variare le terminazioni alle varie armoniche viene detto “Tuning Armonico”; seeseguito correttamente, imponendo un circuito aperto alle armoniche in ingresso si può ottenere unmiglioramento nella linearità dell’amplificatore.Si è realizzata a tale scopo una rete risonante LC serie sintonizzata alla frequenza centrale dellabanda di lavoro (2,45GHz):Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 11 di 12
  • 12. Università degli Corso di Elettronica delle telecomunicazioniStudi di Ferrara DATA:Dipartimento di Ingegneria 27/06/2011 Progetto di un amplificatore di potenza per applicazioni WLAN d’accordo con lo standard 802.11bIl grafico seguente evidenzia le caratteristiche di linearità dell’amplificatore, in particolareconfronta 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 essereattenuato di 17db alla potenza di 3dbm e questo rappresenta un discreto risultato per unamplificatore lineare.L’amplificatore ottenuto ha un ottimo guadagno (12-13db) mentre una potenza di uscita inferiore ai16dbm. Questo è motivato dalla scelta di ottimizzare, attraverso le reti matching, proprio ilguadagno anziché la potenza di uscita.This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License.Nome file: Amplificatore di potenza 802.11b.doc Pagina 12 di 12