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Bologna 20/07/2010 Seminario per dottorandi Facoltà di Ingegneria - DEIS
MICROWAVE POWER MICROWAVE POWER MICROWAVE POWER MICROWAVE POWER AMPLIFIERS FOR AMPLIFIERS FOR AMPLIFIERS FOR AMPLIFIERS FOR
SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING AND COMMUNICATIONAND COMMUNICATIONAND COMMUNICATIONAND COMMUNICATION
Rudi Paolo Paganelli
Ricercatore IEIIT-CNR presso DEIS
RF ELECTRONICS FOR WIRELESS COMMUNICATIONAND REMOTE SENSING SYSTEMS
INTRODUZIONE
Apparati trasmettitori
� AMBITI: Civile, Difesa, Industriale, Tecnologico, Scientifico, …
� APPLICAZIONI: Telecomunicazioni wireless, Jamming, Radars, RF heating, Drivers per lasers, …
� CATTERISTICHE: Frequenza e Banda, Tipologia di carico e Potenza, Budget di costo, …, e
LINEARITÀ ed EFFICIENZA
INTRODUZIONE
Possibili blocchi costituenti un trasmettitore:
� Amplificatori di potenza
� Oscillatori
�Mixers
� Amplificatori di segnale
� Filtri (Q)
� Reti di adattamento
� Combinatori
� Circolatori
� Switches
Architettura di base (lineare)
L’amplificatore finale (narrow-band) determina:
1. l’efficienza dell’intera catena trasmissiva
2. la linearità dell’apparato (grandi segnali)
3. la massima potenza trasmissibile
4. l’affidabilità, il costo, l’ingombro ela fisica realizzabilità (limiti della tecnologia)
INTRODUZIONE
STADIO FINALE: Amplificatore di Potenza (DC/AC)
� Dispositivo: Tubi 1920-, SS-Transistors (Bipolari 60-, FET 70-)
� Configurazione: single-ended [EC (SC), BC (GC), CC (DC)],
push-pull (2 disp. complementari), bilanciata (baluun)
� Classe di Funzionamento: A, B, C, D, E, F, …
� Architettura: Lineare, oppure …
� Kahn (EER), Doherty, Chireix (Out-Phasing), Bias adattativo
� Feedback (RF, Polar-loop, Cartesian-loop), Feedforward, Predistortion
INTRODUZIONE
STADIO FINALE: Efficienza e Linearità
DissOUTSignalIN PPPP +=+
� Ammesso di riuscire a smaltire piùabilmente possibile il calore generato l’efficienza pone un limite alla massima potenza di uscita
� Ipotizzando un grado massimo di deterioramento del segnalela distorsione pone un limite alla massima potenza di uscita
IN
OUT
P
P=η DC
AC
PDiss
PIN POUT
PSignal
Alim.Load
Source
Calore
utileOUT
harmOUT
P
PD =
LINEARITÀ
� Le noie maggiori derivano:� dalla distorsione che non permette di demodulare il segnale
correttamente (Bit Error Rate, …)
� dallo “sbrodolamento” di potenza su bande di frequenza adiacenti (Adjacent Channel Power Ratio)
� L’amplificazione lineare è strettamente necessaria solamente quando il segnale è modulato in ampiezza� Se l’inviluppo è costante (CW, FM, FSK, GMSK) non è indispensabile
amplificare linearmente, ma comunque si interferisce:Compression, Desensitization, Blocking
LINEARITÀ
� Conversione AM/AM:guadagno variabile, si termina sempre con una compressione di guadagno
� Conversione AM/PM: causata da elementi reattivi non lineari, ma anche da correnti di distorsione su condensatori lineari !
Funzione descrittiva:forte e debole non-linearità
� Forte non-linearità: innesco a soglia, quando si viola un dominio
� Debole non-linearità: innesco graduale, venendo meno l’ipotesi di piccolo segnale
|A|
|A|
|B|
/B
Gain (dB)
+1
phase (– cost)
LINEARITÀ
� C/I (Carrier/Intermodulation):il dispositivo viene fatto operare con 2 toni in banda di uguale ampiezza e vengono misurati i prodotti di intermodulazione in banda (test semplice), specificato in dBc o IPx in dBm (quest’ultimo solo per debole nonlinearità)
� NPR (Noise Power Ratio):il dispositivo viene fatto operare con rumore bianco all’ingresso a meno di una limitatissima fettina di banda (filtro notch) all’interno di quella dell’amplificatore; viene misurata la potenza che cade nel buco in rapporto a quella fuori
Indici di non-linearità
LINEARITÀIndici di non-linearità
� ACPR (Adjacent Channel Power Ratio): viene messa a rapporto la potenza che cade nella banda adiacente con quella trasmessa in banda
� EVM (Error Vector Magnitude):dà una misura di quanto si discosta per effetto della non linearità il vettore complesso ricevuto da quello trasmesso
� Sono indicatori non elementari ed esistono strumenti dedicati per una loro misura diretta
� Sono molto significativi a livello di sistema, ma dipendono dal tipo di modulazione e dalla sua specifica interazione con la non linearitàdell’apparato di trasmissione
� Il progettista di circuiti RF ben difficilmente potrà integrare questi indici “evoluti” in una metodologia di progetto che necessiti di ripetuti trial
EFFICIENZA
� Efficienza di collettore/drain
� Efficienza energetica
� Efficienza di conversione
� PAE (Power Added Efficiency)
ACGate
DCGate
DCDrain
ACDrain
E PPP
P
++=η
ACGate
DCGate
DCDrain
RFDrain
C PPP
P
++=
1
η
Vds
Vgs
Id R
Vd=Vds0
Vg=Vgs0
signal
DCDrain
RFDrain
Drain P
P 1
=η
DCGate
DCDrain
RFGateAv
RFDrain
PP
PPPAE
+−=
1.
1
nel caso di un FET(single-ended, SC)
⇒
EFFICIENZA
Impulse shaping� Funzione a coseno rialzato
(Square-Root Raised Cosine, SRRC Filters)
� Funzioni sinc “troncate” e spettri più compatti
� Interferenza intersimbolo nulla in ricezione
PAR di un segnale modulato
PAR
Peak to Average Ratio
Modulazione QAM:PAR 3-6 dB (x2 – x4)
EFFICIENZA
� Applicazioni come cellular base station, ripetitori satellitari, multi-beamactive-phased array, richiedono di operare su più portanti contemporaneamente, su segnali diversamente modulati e di diversa collocazione in banda (spacing)
� È più conveniente usare un gran numero di portanti a basso data-rate che una singola portante ad elevato data rate per vari motivi: si semplificano i modulatori e demodulatori, migliore immunità al fenomeno del multipath, sicurezza.
� Nasce quindi la tecnica OFDM, ma questo comporta PAR elevati !!!
Multiple Carrier e Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak to Average RatioPAR 8-13 dB(fino a x20 !!)
PEP
Peak Envelope Power
EFFICIENZA
� L’efficienza raggiunge il massimo valore al PEP (Peak Envelope Power) e cala per potenze inferiori
� Per il dimensionamento a livello di sistema l’efficienza andrebbe calcolata sul livello medio
� La PDF (Probability Density Function)consente di calcolare con il giusto peso i vari livelli di efficienza in funzione della potenza di ingresso
� FM o GSM: a inviluppo costante il problema non si pone
� OFDM, portanti multiple fra loro indipendenti ⇒ Rayleigh Distribution
� In classe A assorbimento IALIM costante η=50% ⇒ η=3% (PAR=12dB)
� In classe B assorbimento IALIM proporzionale η=78% ⇒ η=20% (PAR=12dB)
Efficienza istantanea ed efficienza media
EFFICIENZA VS LINEARITÀ
� Se il picco di potenza non interviene troppo frequentemente si tollera un poco di distorsione, back-off tipici da -5 a -20 dB in funzione dell’applic.
� Nei sistemi single carrier il livello di back-off determina l’efficienza media� Diventa importante riuscire a minimizzare il livello di Back-Off necessario ad
ottenere la prestazione di linearità richiesta� Sweet-spots: sono particolari configurazioni di terminazione di carico per cui
gli effetti di non-linearità di diverso ordine parzialmente si compensano
Back-Off (baratto linearità per efficienza)
TRANSISTORE IDEALE� Transcaratteristica lineare a tratti:
� VT (threshold) tensione di soglia,� VSAT tensione di saturazione del
guadagno di corrente
� Caratteristica di uscita piatta (lineare) nella regione satura (normale per i bipolari):� Vknee tensione di ginocchio� Vbk tensione di break-down
Vds
Vgs
Id R
Vd=Vds0
Vg=Vgs0
signal
In questa approssimazione si annulla l’effetto della debole non-linearità.
I limiti della regione lineare determinano l’intervento della forte non-linearità.
Imax Vmax0 (Vmin≈0)
2.000
CLASSE A, MAX POUT (PEP)
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
1.25
Pac (W)
1.25
Eta E %
50.0
Eta C %
50.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-0.0
Vs (signal)
1.00
R load
10.0
Imax
Vmax
Ropt=Vmax/ImaxImax
0
Vmax
Vmin
CLASSE A PEP ROPT/2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.62
Pac (W)
0.62
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 2.50 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
-3.0
Vs (signal)
1.00
R load
5.0
CLASSE A PEP RINF+JX
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.625
Pac (W)
0.625
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
-3.0
Vs (signal)
1.00
R load
5.0
CLASSE A PEP RINF+JX
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.625
Pac (W)
0.625
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
-3.0
Vs (signal)
1.00
R load
5.0
CLASSE A PEP/4 2×ROPT
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.625
Pac (W)
0.625
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.25 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
3.0
Vs (signal)
0.50
R load
20.0
CLASSE A PEP YLOAD
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.625
Pac (W)
0.625
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
-3.0
Vs (signal)
1.00
R load
20.0
CLASSE A PEP YLOAD
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.625
Pac (W)
0.625
Eta E %
25.0
Eta C %
25.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-3.01
dB lost
-3.0
Vs (signal)
1.00
R load
20.0
SMITH CHART
S-parametro: Trasformazione Bilineare di ZSmith-chart: calcolatore grafico S to Z
0
0
RZ
RZS
+−=
SMITH CHART
… ma anche calcolatore grafico S to YCircoli a Rserie e a Gparallelo costante
Luoghi a Pout costante: intersezione di archi di circonferenza (CRIPPS)
0
0
0
0
1
1
RY
RY
RZ
RZS
+−−=
+−=
POWER CONTOURS
� Impedenza per la massima potenza (Vmax e Imax)
� Contorno a potenza costante� Luogo a Vmax costante (G costante)� Luogo a Imax costante (R costante)
� Roto-traslazione ad opera dei parassiti passivi
� Sintesi delle reti di trasformazione di impedenza � Lumped (CL) serie e/o parallelo� Linee
IMPEDANCE SYNTHESIS
� Impedenza per la massima potenza (Vmax e Imax)
� Contorno a potenza costante� Luogo a Vmax costante (G costante)� Luogo a Imax costante (R costante)
� Roto-traslazione ad opera dei parassiti passivi
� Sintesi delle reti di trasformazione di impedenza � Lumped (CL) serie e/o parallelo� Linee
IMPEDANCE SYNTHESIS
� Impedenza per la massima potenza (Vmax e Imax)
� Contorno a potenza costante� Luogo a Vmax costante (G costante)� Luogo a Imax costante (R costante)
� Roto-traslazione ad opera dei parassiti passivi
� Sintesi delle reti di trasformazione di impedenza � Lumped (CL) serie e/o parallelo� Linee
GAIN MATCHING� Massima potenza disponibile (per I fissata) quando c’è adattamento� Il matching coniugato massimizza il guadagnoguadagnoguadagnoguadagno di potenza
� di una sorgente lineare lineare lineare lineare (Thevenin o Norton) virtualmente illimitata in potenza
∗= OUTLOAD ZZ
Il matching coniugato ha senso fino a quando non raggiungo i limiti Imax e Vmax sostenibili dal generatore IDS (dispositivo)
OUTAV RIP ⋅= 2
8
1
IImaxmax & & VVmaxmax
IImaxmax & & VVmaxmaxsolo solo VVmaxmax
POWER MATCHING
8.6 25. 50. 100 291 19. 40. 50. 63. 133
-1 dB-3 dBDisadattamento di Guadagno
Disadattamento di Potenza
� Il disadattamento di potenza è assai più temibile di quello di guadagno� La sintesi delle reti di matching deve essere molto più precisa (processo)� L’estrazione della max potenza è soggetta a sensibilità parametrica (rese)
SMITH CHART ORIENTEERING
� Sistemi automatici di caratterizzazione (Load-Pull)� Contorni a potenza costante� Contorni ad efficienza costante� Circoli a guadagno costante� Zone a minimo IMD (sweet-spots)� …
� Valutazione per via grafica dei trade-offs
� Una volta individuato il luogo di impedenze ottimali il problema consiste nella sintesi delle reti
CLASSE A PEP/4 (-6DB)
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.31
Pac (W)
0.31
Eta E %
12.5
Eta C %
12.5
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 2.50 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.25 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-6.02
dB lost
0.0
Vs (signal)
0.50
R load
10.0
CLASSE A PEP/16 (-12DB)
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
0.08
Pac (W)
0.08
Eta E %
3.1
Eta C %
3.1
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 1.25 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.13 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-12.04
dB lost
0.0
Vs (signal)
0.25
R load
10.0
CLASSE B PEP 1°-TAPPA
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.44
Pac1 (W)
0.984
Pac (W)
1.152
Eta E %
79.7
Eta C %
68.1
Dout %
17.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 4.44 1.63 0.39 0.69 0.15
0.29 0.44 0.16 0.04 0.07 0.02
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-1.04
dB lost
-7.1
Vs (signal)
2.00
R load
10.0
CLASSE B 2°-TAPPA
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.18
Pac1 (W)
1.250
Pac (W)
1.487
Eta E %
68.2
Eta C %
57.3
Dout %
18.9
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
6.85 5.00 2.12 0.00 0.42 0.00
0.32 0.50 0.21 0.00 0.04 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
6.850
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-6.0
Vs (signal)
2.00
R load
10.0
solo armoniche pari
CLASSE B IDEALE
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.59
Pac1 (W)
1.250
Pac (W)
1.250
Eta E %
78.5
Eta C %
78.5
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.32 0.50 0.21 0.00 0.04 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-6.0
Vs (signal)
2.00
R load
10.0
CLASSE B IDEALE
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.59
Pac1 (W)
1.250
Pac (W)
1.250
Eta E %
78.5
Eta C %
78.5
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.32 0.50 0.21 0.00 0.04 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-6.0
Vs (signal)
2.00
R load
10.0
CLASSE B PEP/4 (-6DB)
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
0.80
Pac1 (W)
0.312
Pac (W)
0.313
Eta E %
39.3
Eta C %
39.3
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 2.50 0.00 0.00 0.00 0.00
0.16 0.25 0.11 0.00 0.02 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-6.02
dB lost
-6.0
Vs (signal)
1.00
R load
10.0
CLASSE B PEP/16 (-12DB)
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
0.40
Pac1 (W)
0.078
Pac (W)
0.078
Eta E %
19.6
Eta C %
19.6
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 1.25 0.00 0.00 0.00 0.00
0.08 0.13 0.05 0.00 0.01 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-12.04
dB lost
-6.0
Vs (signal)
0.50
R load
10.0
CLASSE A 360°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
1.25
Pac (W)
1.25
Eta E %
50.0
Eta C %
50.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.50 0.00 0.00 0.00 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-0.0
Vs (signal)
1.00
R load
10.0
CLASSE AB 280°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.28
Pac1 (W)
1.320
Pac (W)
1.320
Eta E %
58.0
Eta C %
58.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.46 0.53 0.03 0.02 0.02 0.01
Conduction Angle
Vgs0
-1.125
Vds0
5.000
PUF (dB)
0.24
dB lost
-0.8
Vs (signal)
1.13
R load
9.5
CLASSE AB 255°
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0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.12
Pac1 (W)
1.340
Pac (W)
1.340
Eta E %
63.3
Eta C %
63.3
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.42 0.54 0.07 0.04 0.02 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-1.250
Vds0
5.000
PUF (dB)
0.30
dB lost
-1.6
Vs (signal)
1.25
R load
9.3
CLASSE AB 220°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.89
Pac1 (W)
1.327
Pac (W)
1.327
Eta E %
70.4
Eta C %
70.4
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.38 0.53 0.13 0.04 0.01 0.02
Conduction Angle
Vgs0
-1.500
Vds0
5.000
PUF (dB)
0.26
dB lost
-3.3
Vs (signal)
1.50
R load
9.4
CLASSE AB 200°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.72
Pac1 (W)
1.291
Pac (W)
1.291
Eta E %
75.1
Eta C %
75.1
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.34 0.52 0.18 0.03 0.03 0.01
Conduction Angle
Vgs0
-1.750
Vds0
5.000
PUF (dB)
0.14
dB lost
-4.7
Vs (signal)
1.75
R load
9.7
CLASSE B 180°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.59
Pac1 (W)
1.250
Pac (W)
1.250
Eta E %
78.5
Eta C %
78.5
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.32 0.50 0.21 0.00 0.04 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.00
dB lost
-6.0
Vs (signal)
2.00
R load
10.0
CLASSE C 140°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.27
Pac1 (W)
1.094
Pac (W)
1.094
Eta E %
86.0
Eta C %
86.0
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.25 0.44 0.27 0.09 0.02 0.04
Conduction Angle
Vgs0
-3.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.58
dB lost
-10.1
Vs (signal)
3.00
R load
11.4
CLASSE C 110°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
0.97
Pac1 (W)
0.889
Pac (W)
0.889
Eta E %
91.8
Eta C %
91.8
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.19 0.36 0.27 0.16 0.06 0.00
Conduction Angle
Vgs0
-5.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-1.48
dB lost
-15.5
Vs (signal)
5.00
R load
14.0
CLASSE C 80°
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
0.76
Pac1 (W)
0.721
Pac (W)
0.721
Eta E %
94.9
Eta C %
94.9
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.15 0.29 0.25 0.18 0.12 0.06
Conduction Angle
Vgs0
-8.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-2.39
dB lost
-20.5
Vs (signal)
8.00
R load
17.3
Picco!!!
Tendo ad operare meno possibile con la
simultanea presenza di corrente e tensione
CLASSE ABC� La fondamentale è massima in classe AB� In classe AB l’armonica dominante è la 2a� In classe B le arm. dispari di corrente =0� Classe C efficiente, ma POUT e Gain bassi
CLASSE ABC
� Esiste una pendenza ottima (Ropt) per la Pout massima ed èrelativamente poco variabile per tutto l’intervallo classi AB
� Reattanze alla fondamentale generano inutili ellissi e componenti di tensione in quadratura con la corrente
� Sono invece utili risonatori (puri) alle armoniche per mantenere V sinusoidale nonostante Iharm : il vantaggio è� una maggiore efficienza di conversione� una minore distorsione
� La classe di funzionamento è determinata dal punto di biasche determina l’intervallo di conduzione della corrente
CLASSE A CMP -1DB
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
1.575
Pac (W)
1.589
Eta E %
63.6
Eta C %
63.0
Dout %
0.9
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.61 0.00 0.48 0.00 0.19
0.50 0.56 0.00 0.05 0.00 0.02
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
1.00
dB lost
-1.0
Vs (signal)
1.26
R load
10.0
CLASSE A CMP -10DB
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
1.982
Pac (W)
2.231
Eta E %
89.3
Eta C %
79.3
Dout %
12.5
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 6.30 0.00 1.92 0.00 0.96
0.50 0.63 0.00 0.19 0.00 0.10
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
2.00
dB lost
-10.0
Vs (signal)
4.00
R load
10.0
solo arm . dispari
CLASSE A CMP -10DB TUNED
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.50
Pac1 (W)
1.573
Pac (W)
1.573
Eta E %
62.9
Eta C %
62.9
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.50 0.63 0.00 0.19 0.00 0.10
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
1.00
dB lost
-11.0
Vs (signal)
4.00
R load
7.9
CLASSE A CMP -10DB KNEE
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
2.13
Pac1 (W)
1.18
Pac (W)
1.18
Eta E %
55.3
Eta C %
55.3
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 4.85 0.00 0.00 0.00 0.00
0.43 0.49 0.13 0.31 0.10 0.02
Conduction Angle
Vgs0
-1.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.26
dB lost
-12.3
Vs (signal)
4.00
R load
10.0
CLASSE B CMP -1DB
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.73
Pac1 (W)
1.34
Pac (W)
1.34
Eta E %
77.8
Eta C %
77.8
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00
0.35 0.54 0.22 0.02 0.06 0.01
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
0.31
dB lost
-6.7
Vs (signal)
2.25
R load
9.3
CLASSE B CMP -1DB KNEE
0 2 4 6 8 10 12-2 14
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10 12-2 14
-270
-180
-90
-360
0
-4 -3 -2 -1 0 1 2-5 3
-270
-180
-90
-360
0
VT
-2.000
VSAT
0.000
IdSS
1.000
Vknee
0.001
Vbk
10.000
Pdc (W)
1.60
Pac1 (W)
1.11
Pac (W)
1.11
Eta E %
69.3
Eta C %
69.3
Dout %
0.0
1 2 3 40 5
0.25
0.50
0.00
0.75
1 2 3 40 5
2.5
5.0
0.0
7.5
5.00 4.54 0.00 0.00 0.00 0.00
0.32 0.49 0.17 0.06 0.10 0.04
Conduction Angle
Vgs0
-2.000
Vds0
5.000
PUF (dB)
-0.51
dB lost
-7.6
Vs (signal)
2.25
R load
9.3
CLASSI SWITCHING� Evitare la simultanea presenza di V e I sulla porta di potenza� Utilizzare il dispositivo alla stregua di un interruttore: OFF o ON� In uscita solo onde quadre limitate nei valori Imax e Vmax
� Resistore di carico ROPT = Vmax / Imax ( indipendentemente da γ )
� VDC e IDC variabili con γ (PUF massimi attorno a 180°)� Efficienza energetica 100%, Efficienza di conversione max 81%
CLASSI SWITCHING
� Si aggiunge un risonatore per eliminare tutte le armoniche di tensione e renderla sinusoidale
� Efficienza tendente al 100%,
per angoli di conduzione γridotti, ma POUT (PUF) calante
� Si torna alla condizione operativa del classe C (compresso, o.q. di corrente) senza alcun vantaggio
� Non è sufficiente disporre di switch ideali per ottenere efficienze di conversione elevate!
CLASSE D� Interruttore a due vie ⇒ Configurazione PUSH-PULL, Duty 50%� Il risonatore è in serie al carico RL , che vede circolare una
corrente sinusoidale pura ⇒ Distorsione nulla e ηC=ηE� Corrente Sinusoidale & Tensione Onda-quadra
EFFICIENZA DI CONVERSIONE 100%
L’onda quadra di tensione èdeterminata dal dispositivocomplementare
PROBLEMI:
•Switch non ideali
•Dispositivo alto fuori massa
•Blanking time per evitare cc sull’alimentatore
ηC = 100%
FORME D’ONDA CLASSE D
� Corrente Sinusoidale & Tensione Onda-quadra� Corrente: sole armoniche pari� Tensione: sole armoniche dispari� Potenza di distorsione nulla
� Single-ended: overdrive e manipolazione armonica per generare l’onda quadra e la mezz’onda sinusoidale
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
V0
0.50
V1
0.64
V2
0.00
V3
0.21
V4
0.00
V5
0.13
I0
0.32
I1
0.50
I2
0.21
I3
0.00
I4
0.04
I5
0.00
1.0 2.0 3.0 4.00.0 5.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.0
0.7
FORME D’ONDA CLASSE D
� Corrente Sinusoidale & Tensione Onda-quadra� Corrente: sole armoniche pari� Tensione: sole armoniche dispari� Potenza di distorsione nulla
� Single-ended: overdrive e manipolazione armonica per generare l’onda quadra e la mezz’onda sinusoidale
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
V0
0.50
V1
0.64
V2
0.00
V3
0.21
V4
0.00
V5
0.13
I0
0.32
I1
0.50
I2
0.21
I3
0.00
I4
0.04
I5
0.00
1.0 2.0 3.0 4.00.0 5.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.0
0.7
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
CLASSE F
�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e piattezza
�DC, 1a� caso limite classe A
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
0 2 4 6 8 10-2 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
Pdc
0.250
Pout
0.125
Eff
50.0
PUF (dB)
0.0
CLASSE F
�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e DOUT nulla
�DC, 1a, 2a (corrente)� POUT invariata, PDC cala ⇒ Efficienza cresce
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
Pdc
0.188
Pout
0.125
Eff
66.7
PUF (dB)
0.0
0 2 4 6 8 10-2 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
CLASSE F
�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e DOUT nulla
�DC, 1a, 2a, 3a (tensione)� POUT aumenta, PDC invariata, Efficienza cresce
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
Pdc
0.188
Pout
0.141
Eff
75.0
PUF (dB)
0.5
0 2 4 6 8 10-2 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
CLASSE F
�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e DOUT nulla
�DC, 1a, 2a, 3a, 4a (corrente)� POUT invariata, PDC cala ⇒ Efficienza cresce
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
Pdc
0.176
Pout
0.141
Eff
80.0
PUF (dB)
0.5
0 2 4 6 8 10-2 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
CLASSE F
�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e DOUT nulla
�DC, 1a, 2a, 3a, 4a, 5a (tensione)� POUT aumentata, PDC invariata, Efficienza cresce
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
Pdc
0.176
Pout
0.146
Eff
83.3
PUF (dB)
0.7
0 2 4 6 8 10-2 12
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
-0.2
1.2
CLASSE F�Manipolazione armonica nel vincolo Imax, Vmax e non distorsione
� Aumentando il numero di armoniche aumenta η e PUF� Armoniche dispari (onda quadra) determinano maggiore potenza POUT
in uscita� Armoniche pari (mezz’onda sinusoidale) determinano minori
assorbimenti IDC e minori PDC
� Efficienze anche più elevate se� si accettano ondulazioni (caso di forme d’onda non piattissime)� si ammettono angoli di conduzione della corrente ridotti
� Ordine armonico manipolabile limitato� CDS shunt che determina Zmax all’intrinseco� Complessità e perdite sui risonatori intollerabili
� È possibile invertire le forme d’onda corrente tensione
Classe-F inversa
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 115°
η = 100%
PUF=-1.9dB
Vpk/VDC=2.64
Ipk/IDC=4.8
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 135°
η = 100%
PUF=-1.43dB
Vpk/VDC=2.86
Ipk/IDC=3.88
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 156°
η = 100%
PUF=-1.14dB
Vpk/VDC=3.14
Ipk/IDC=3.31
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 176°
η = 100%
PUF=-1.05dB
Vpk/VDC=3.49
Ipk/IDC=2.92
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 198°
η = 100%
PUF=-1.14dB
Vpk/VDC=3.95
Ipk/IDC=2.64
CLASSE E�Sintesi nel dominio del tempo
– Sovrapposizione di una IDC (L-choke) e una ISIN pura (risonatore serie)
– Dispositivo switch e C in parallelo
» Se ON: I per intero sullo switch
» Se OFF: I per intero su C
30 60 90 120
150
180
210
240
270
300
330
0 360
-1.75-1.50-1.25-1.00-0.75-0.50-0.250.000.250.500.751.00
-2.00
1.25
0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.02.2
-0.2
2.4
γ= 219°
η = 100%
PUF=-1.41dB
Vpk/VDC=4.55
Ipk/IDC=2.43
CLASSE E
30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 3300 360
2
4
6
8
0
10
-4
-3
-2
-1
-5
0
m2
m2Gamma=plot_vs(10*log(PUF_Npk),Gamma)=-1.049833
175.766099
� Poiché C-parallelo è prevista il parassita Cds può conglobarsi� Istante di accensione non troppo problematico poiché non solo la
tensione è nulla ma anche la sua derivata (accendere il dispositivo con tensione non nulla sarebbe pericoloso e dissipativo)
� PUF non troppo elevati (al massimo -1dB)� Fattori di cresta della tensione elevati (VPK/VDC tipici da 3 a 4)
ηC = 100%
CLASSE E DESIGN
VpkVpk , , IpkIpk
CsCs
CpCp
LsLs ∆∆LLss
RloadRload
VdcVdc
2)2)
3)3) VV00, , IpkIpk , , VdcVdc
4)4) Re{VRe{V11}, }, IpkIpk , , VdcVdc
5)5) ImIm{V1},{V1}, IpkIpk , , VdcVdc , Cp, Cp
6)6) Q, fQ, f
1)1) TransistorTransistor
γγγγγγγγ Forme dForme d ’’onda normalizzateonda normalizzate
CpCp
RloadRload
∆∆LsLs
Cs , Cs , LsLs
0.57 mm0.57 mm
0.79 mm
0.79 mm
Periferia Periferia di gate di gate 2mm2mm
0.35 0.35 µµm m powerpower pHEMTpHEMT((TriQuintTriQuint SemiconductorSemiconductor))
CLASSE E DESIGN
CLASSE E DESIGN
CLASSE E DESIGN� Le maggiori non idealità sono
degli elementi passivi� Il montaggio determina le
maggiori discrepanze fra misure e simulazioni
� Forme d’onda del classe E facilmente ottenibili a 150 MHz con un pHEMT per applicazioni ad oltre 15 GHz
SimulazioniSimulazioni Misure Misure
�� ηη = 74.3%= 74.3% �� ηη = 73.34%= 73.34%
�� f = 150 MHzf = 150 MHz �� f = 140 MHzf = 140 MHz
�� PAE = 72%PAE = 72% �� PAE = 71%PAE = 71%
�� PoutPout = 29.25 = 29.25 dBmdBm (0.84 W)(0.84 W) �� PoutPout = 28.7 = 28.7 dBmdBm (0.741 W)(0.741 W)
�� GtGt = 15.24 dB= 15.24 dB �� GtGt = 15.05 dB= 15.05 dB
Confronto PAE
010
2030
4050
6070
80
0 4 8 12 16 20 24 28 32Pout (dBm)
PA
E (
%) Simulazione a 150 MHz
Misura a 140 MHz
CLASSE E DESIGN
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
180180°° 180180°°
00°° 00°°
BalunBalun BalunBalunININ OUTOUT
INTEGRATOINTEGRATO
PUSH PUSH -- PULLPULL
�� f = 1.275 GHzf = 1.275 GHz
�� IpkIpk = 650 mA/mm= 650 mA/mm
�� Q = 5Q = 5
�� αα = 145= 145°°
CLASSE E DESIGN
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
180180°° 180180°°
00°° 00°°
BalunBalun BalunBalunININ OUTOUT
INTEGRATOINTEGRATO
PUSH PUSH -- PULLPULL
�� f = 1.275 GHzf = 1.275 GHz
�� IpkIpk = 650 mA/mm= 650 mA/mm
�� Q = 5Q = 5
�� αα = 145= 145°°
CLASSE E DESIGN
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di caricocarico
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
Rete di Rete di Matching Matching di ingressodi ingresso
180180°° 180180°°
00°° 00°°
BalunBalun BalunBalunININ OUTOUT
INTEGRATOINTEGRATO
PUSH PUSH -- PULLPULL
�� f = 1.275 GHzf = 1.275 GHz
�� IpkIpk = 650 mA/mm= 650 mA/mm
�� Q = 5Q = 5
�� αα = 145= 145°°
CLASSE E DESIGN� Le forme d’onda del classe E
sono meno ideali:� spegnimento lento (dispositivo)� ringing in accensione (guadagno)
� POUT = 40 dBm, PAE > 70% !!!� APPL.: front-end RF per moduli
SAR satellitari, dove il calore prodotto limita i tempi di servizio
5 10 15 200 25
0.1
0.3
0.5
-0.1
0.7
OFF
ON
CLASSE E DESIGN
� Banda X, POUT > 30 dBm, PAE ≈ 60%
5 10 15 200 25
0.1
0.3
0.5
0.7
-0.1
0.9
OFFON
CLASSE E DESIGN� Densità di potenza bassa a 150 MHz per le perdite sulle ingombranti reti passive� PAE bassa a 9.6 GHz per il guadagno inferiore alle attese: il transistore non
riesce ad accendersi bene senza un energico pilotaggio� Segnale di ingresso a forma d’onda squadrata?� Modello fittato per applicazioni switching?
CLASSE AB DESIGN
Tecnologia HBT� Power density: 4.0 W/mm� Aspetto termico (breakdown II°) � Classe-AB + manip. armonica� Verifica modello (load-pull) a
livello di singola cella
4 8 12 160 20
0.114
0.228
0.342
0.456
0.570
0.684
0.000
0.798
Load-pull:
simulazione misura
CLASSE AB DESIGN
� Esiste una retroazione positiva sulla tensione Vγ� Esiste una retroazione negativa sul β� Polarizzazione in corrente Vs polarizzazione in tensione� Emitter ballasting, (Base ballasting ?)
1.20 1.25 1.30 1.351.15 1.40
0.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.55
0.00
0.60
V_C=4.000V_C=5.000V_C=6.000V_C=7.000V_C=8.000
Regression Curves
CLASSE AB DESIGN
� Contenimento della temperatura
� Allontanare il pericolo di instabilità� di modo pari� di modo dispari
CLASSE AB DESIGN
CLASSE AB DESIGN� POUT > 40 dBm (10 W), PAE > 30 %, Banda di 800 MHz
Conclusioni� Per frequenze elevate e potenze elevate il Classe AB e tuning armonico
(F o F-inversa) sono il termine di comparazione per qualsiasi altra scelta� Se la frequenza è bassa (Gain) e per applicazioni dove il fattore limitante è
la dissipazione di potenza il Classe E può rivelarsi un’ottima alternativa
Bologna 20/07/2010 Seminario per dottorandi Facoltà di Ingegneria - DEIS
RF ELECTRONICS FOR WIRELESS COMMUNICATIONAND REMOTE SENSING SYSTEMS
MICROWAVE POWER AMPLIFIERS FOR MICROWAVE POWER AMPLIFIERS FOR MICROWAVE POWER AMPLIFIERS FOR MICROWAVE POWER AMPLIFIERS FOR SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING SATELLITE REMOTE SENSING
AND COMMUNICATIONAND COMMUNICATIONAND COMMUNICATIONAND COMMUNICATION
Grazie dell’attenzione
