Nichtlineare Simulation integrierter HF-Verstärker mit Keysight Genesys und SystemVue - beam-Verlag
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HF-Technik
Nichtlineare Simulation integrierter HF-Verstärker
mit Keysight Genesys und SystemVue
Der Artikel befasst
sich mit einigen
Modellstrukturen für
HF-Verstärker, die
lineare S-Parameter-
Daten mit nichtlinearen
Daten wie Rauschzahl,
IP3, P1dB und PSAT
kombinieren.
Verwendung von S-Parameter-Daten in Keysight ADS mithilfe des Amplifier2-Modells
Außerdem werden die Ergeb- fügbarkeit von Daten in digi- halb meist auf selbst erstellte
nisse von Systemsimulationen taler Form (z.B. IP3, P1dB und Spreadsheets zurück, um kaska-
gezeigt, um bewerten zu kön- Rauschen) sowie dem traditio- dierte Rausch- und Verzerrungs-
nen, wie exakt das reale Verhal- nellen Fehlen frequenzvariabler werte zu berechnen. Derartige
ten nachgebildet wird. Modellstrukturen in gängigen Spreadsheets haben allerdings
HF-Simulatoren liegt. Designer ihre Schwierigkeiten damit,
Bisherige Simulationen von HF-Schaltungen griffen des- System-Charakteristika wie den
Lineare und nichtlineare Simu-
lationen von HF-Schaltungen Über den Autor
waren traditionell verschie- Eamon Nash arbeitet bei Analog Devices als Applications
denen Bereichen vorbehalten. Director für HF-Verstärker und Beamformer. Im Feld ebenso
Um kaskadierte Kleinsignal- wie in der Fabrik ist er für das Unternehmen seit 30 Jahren in
Verstärkungen und -Verluste zu verschiedenen Funktionen im Bereich der Mixed-Signal-, Prä-
simulieren, setzten Designer von zisions- und HF-Produkte tätig. Den gegenwärtigen Schwer-
HF-Systemen traditionell auf die punkt seiner Arbeit bilden HF-Verstärker und Beamformer-
Autor: weithin verfügbaren S-Parame- Produkte für Satcom- und Radaranwendungen. Nash hat an
Eamon Nash, Applications ter-Modelle ihrer Bauelemente. der University of Limerick (Irland) ein Bachelor-of-Enginee-
Director Die nichtlineare Simulation ring-Diplom in Elektronik erworben und ist Inhaber von fünf
Analog Devices Inc. ist von jeher anspruchsvoller, Patenten. Sie erreichen ihn unter eamon.nash@analog.com.
www.analog.com/ was an der mangelnden Ver-
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HF-Technik
Tabelle 1: Typischer Sys-Parameter-Datensatz
Fehlervektorbetrag (Error Vector Keysight in seinen HF-Schaltungs- und (IP3) und zum 1-dB-Kompres-
Magnitude, EVM) und das Nach- Sys-Parameter Simulatoren PathWave RF Syn- sionspunkt (P1dB).
barkanal-Leacking (Adjacent thesis (Genesys) und PathWave Diese Datensätze enthalten aus-
Channel Leakage Ratio, ACLR) Tabelle 1 ist ein Ausschnitt aus System Design (SystemVue) reichend Informationen zum
zu simulieren, die zum Tragen dem Sys-Parameter-Daten- definiert. Die tabellarische Struk- Simulieren des HF-Signalpe-
kommen, sobald die Signalkette satz für den ADPA7002, ein tur des Datensatzes besteht aus gels, der kaskadierten Verstär-
mit modulierten Signalen ange- 0,5-W-Leistungungsverstärker Sys-Parameter-Daten im Ver- kung und der Rückisolation.
steuert wird. für 18 bis 44 GHz. Die Sys-Para- bund mit frequenzbezogenen Die Einbeziehung der IP3-,
meter-Modellstruktur wurde von Daten zum Rauschen, zum P1dB- und Rauschzahl-Daten
S-Parameter sind das meistbe- Keysight für die Verwendung Intercept Point dritter Ordnung erlaubt jedoch auch die Simu-
nutzte HF-Simulationsmodell.
Es handelt sich dabei um stan-
dardisierte tabellarische Daten-
sätze aus Eingangsreflexionsfak-
tor, Verstärkung, Rückisolation
und Ausgangsreflexionsfaktor
als Funktion der Frequenz, alle
in vektoriellem Format. Die
Daten werden im Allgemeinen
unter Kleinsignal-Bedingungen
mit Treibersignalen erhoben, die
weit unterhalb der Signal-Kom-
pressionspunkte liegen. S-Para-
meter dienen in der Regel dazu,
um die kaskadierte Verstärkung
zu simulieren, ein- und aus-
gangsseitige Anpassungsnetz-
werke zu entwickeln und die Sta-
bilität zu bewerten. Sie enthalten
jedoch keinerlei Informationen
über die Rausch-, Kompressions-
oder Verzerrungseigenschaften
eines Bauelements. Bild 1: Dieser Screenshot aus Keysight Genesys zeigt ein typisches Sys-Parameter-Modell
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HF-Technik
ault-Wert für HF-Verstärker in
GaAs-Technik.
AM/AM- und AM/
PM-Verzerrung
Um einen genaueren Blick auf
die simulierten Kompressions-
Charakteristika zu werfen, kön-
nen wir die AM/AM- und die
AM/PM-Verzerrung betrachten.
In Bild 3 sind die gemessenen
und die simulierten Ergebnisse
für den HMC930A zu sehen. Die
gemessene AM/AM-Verzerrung
stimmt zwar sehr gut mit der
Simulation überein, aber laut
Simulation gibt es keine AM/
PM-Verzerrung, was nicht kor-
rekt ist. Der Grund hierfür ist,
dass das Bausteinmodell und der
Bild 2: Gemessener und simulierter Power Sweep bei einem HF-Verstärker auf Galliumarsenid-Basis
Datensatz ausschließlich Klein-
signal-Phaseninformationen
lation von HF Power Sweeps, thek von Analog Devices zuge- ten und Simulationen erfolgen.
(nämlich S21) enthalten. Der
des Rauschabstands und auch griffen werden. Das Sys-Para- Bild 2 gibt die gemessenen
Simulator kann zwar die OP1dB-
Signalcharakteristika höherer meter-Modell für die einzelnen und simulierten Resultate eines
und PSAT_Delta-Daten aus dem
Ordnung wie ACLR und EVM Bausteine umfasst die in Tabelle Power Sweeps bei 10 GHz mit
Bausteinmodell nutzen, um die
lassen sich über den Frequenz- 1 aufgeführten Daten, ergänzt dem HMC788A, einem RF Gain
AM/AM-Verzerrung abzuschät-
bereich des jeweiligen Bausteins durch weitere Informationen im Block für Frequenzen von 10
zen, aber er verfügt über keine
hinweg simulieren. Properties-Fenster des Modells. MHz bis 10 GHz wieder. Wie
Großsignal-S-Parameter, mit
Analog Devices verfügt über Zu diesen ergänzenden Daten man sieht, stimmt der simulierte
denen er arbeiten könnte. In
eine umfangreiche Sys-Parame- gehören neben Stromversor- Power Sweep sehr gut mit den
einem solchen Fall wäre die Ver-
ter-Bibliothek für seine HF-Ver- gungs-Informationen auch vor- gemessenen Daten überein. Der
wendung eines aufwändigeren
stärker und -Mischer, die einer- gegebene Offsets für PSAT und Simulator verwendet die Ver-
Modells wie etwa des X-Para-
seits zum Download verfügbar OIP2 relativ zu OP1dB. stärkungs- und OP1dB-Daten
meter-Formats angezeigt, denn
ist und andererseits Bestand- des Bausteins zusammen mit
X-Parameter-Modelle enthalten
teil der Keysight Genesys- und
Bewertung der PSAT_Delta, um das gezeigte
pegelabhängige S-Parameter.
SystemVue-Installationen ist. Genauigkeit Diagramm zu erzeugen. Im vor-
Bild 1 zeigt einen Screenshot liegenden Fall beträgt PSAT_ Simulation eines Power
Um die Genauigkeit von Sys- Delta 2 dB. Dies ergibt einen
von Keysight Genesys. Über den Parameter-Modellen zu bestim- Sweeps für einen
Part Selector kann umgehend PSAT-Wert, der um 2 dB über
men, sollen nun einige Verglei- OP1dB liegt. Hierbei handelt GaN-Verstärkers
auf die Sys-Parameter-Biblio- che zwischen gemessenen Wer- es sich um einen typischen Def- In Bild 4 ist ein Power
Sweep bei 3,2 GHz für den
HMC1114LP5DE dargestellt,
ein 10-W-HF-Verstärker in GaN-
Technik. GaN-HF-Verstärker
weisen tendenziell eine deutlich
sanftere Kompressionscharakte-
ristik auf als GaAs-Bauelemente.
Dies macht eine Anpassung des
PSAT_Delta-Werts erforderlich,
also der Differenz zwischen dem
1-dB-Kompressionspunkt und
dem Sättigungspunkt. Im vorlie-
genden Fall wurde aufgrund von
Messungen ein Delta-Wert von 7
dB gewählt. Der Simulator kann
wegen des großen Delta-Werts
in einigen Fällen eine Warnmel-
dung ausgeben, er arbeitet aber
dennoch ordnungsgemäß und
liefert ein Resultat, das sehr gut
Bild 3: Simulation und Messung von AM/AM- und AM/PM-Verzerrung
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HF-Technik
mit der gemessenen Performance
übereinstimmt.
ACLR-Simulation
Der Nutzen eines Sys-Para-
meter-Datensatzes wird grö-
ßer, wenn wir von Dauerstrich-
Messungen und -Simulationen
abgehen und uns dem Verhal-
ten modulierter Signale zuwen-
den. In den Datenblättern findet
man durchaus Angaben über die
Verstärkungs-, Kompressions-
und IP3-Eigenschaften eines
Bausteins und seine Rausch-
zahl. Es ist allerdings unwahr-
scheinlich, dass Datenblätter
von Bauelementen, die für all-
gemeine Zwecke gedacht sind,
Diagramme zum Verhalten mit Bild 4: Simulierter und gemessener Power Sweep mit dem 10-W-GaN-Verstärker HMC1114 bei 3,2 GHz
modulierten Signalen enthalten.
Hinzu kommt, dass sich Kenn- stanten Unterträgern, und der Rauschzahl-Daten im Daten- EVM-Simulation
daten wie ACLR und EMV ohne ACLR-Wert wird bei einem Trä- satz dominiert. Bei Eingangs-
Simulationen oder Messungen ger-Offset von 5 MHz gemessen. leistungen über -15 dBm ver- Sys-Parameter-Modelle lassen
nicht ohne Weiteres vorhersa- schlechtert sich der ACLR-Wert sich auch für eine verlässliche
gen lassen. Der Simulation ist zu entneh- mit einer Rate, die eng mit dem
men, dass der ACLR-Wert sei- IP3-Wert des Bausteins korre- Simulation des EVM-Werts nut-
Bild 5 zeigt die simulierten nen optimalen Wert bei einer liert. Beim Erstellen eines über zen. In Bild 6 sind die gemes-
Ergebnisse eines Power Sweeps Eingangsleistung von -15 dBm einen weiten Leistungsbereich senen und simulierten EVM-
mit dem 0,25-W-Treiberverstär- erreicht. Unterhalb dieser Ein- korrekten ACLR-Sweeps ist Resultate als Funktion der
ker ADL5320 bei 2,14 GHz, gangsleistung verschlechtert er zu beachten, dass die Ergeb- HF-Leistung dargestellt. Als Ein-
angesteuert mit einem 5 MHz sich Dezibel um Dezibel mit dem nisse dieser Simulation sowohl gangssignal dient ein 16-QAM-
breiten Träger. Der simulierte Eingangspegel. Diese Region von den Rauschzahl-Daten (bei Träger mit 1 MSPS, der hier den
Träger besteht aus elf äquidi- des Diagramms wird durch die geringer Leistung) als auch von Gain Block ADL5602 mit einer
Bandbreite von 50 MHz bis 4
den IP3-Daten (bei hoher Lei- GHz ansteuert. Bei hoher wie
stung) bestimmt werden. bei niedriger Leistung ist eine
hervorragende Übereinstimmung
In dem Diagramm sind auch real zwischen Messung und Simula-
gemessene Daten (in blau) dar- tion erkennbar.
gestellt. Dass nicht bei -15 dBm
derselbe optimale Wert erreicht
wird, liegt an den Grenzen der Temperatursimula-
Messanordnung. Beachtenswert tion
ist, dass sich der gemessene
ACLR-Wert mit zunehmender Der standardmäßige Sys-Para-
Eingangsleistung schneller ver- meter-Datensatz in der ADI-
schlechtert. Dies liegt daran, dass Bibliothek enthält nur Umge-
der OIP3-Wert des Bausteins mit bungstemperatur-Daten. Aller-
zunehmender Eingangs- und dings lässt sich das Modell durch
Ausgangsleistung geringfügig zusätzliche Tabs mit Tempera-
schlechter wird, während er im turdaten erweitern. Bild 7 zeigt
Idealfall gleich bleiben sollte. den Datensatz für den 1-W-Ver-
Der IP3-Wert im Datensatz des stärker ADPA7007 für 18 bis 44
Modells verändert sich dagegen GHz. Dieser Datensatz enthält
nicht mit der Leistung und kann separate Tabs mit den gleichen
gewissermaßen als Kleinsignal- Verstärkungs-, Rausch- und Ver-
IP3-Wert des Bausteins betrach- zerrungsdaten, allerdings für -55,
tet werden. Auch in diesem Fall +25 und +85 °C. Die Genesys-
könnte ein X-Parameter-Modell und SystemVue-Simulatoren
mit seiner aufwändigeren Nach- nutzen diese drei Datenpunkte
bildung der Pegelabhängig- zum Generieren interpolierter
keit eine präzisere Simulation Daten bei anderen Temperaturen
Bild 5: ACLR-Simulation ermöglichen. (in Bild 7 ebenfalls dargestellt).
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HF-Technik
Bauelemente, die gute Grund-
werte für den Eingangsreflexi-
onsfaktor und den Ausgangs-
reflexionsfaktor (S11 und S22)
aufweisen.
Dies trifft beispielsweise für
die meisten HF-Verstärker von
Analog Devices zu, die keine
externen HF-Anpassungsbau-
elemente benötigen. Ein ein-
facheres Amplifier2-Modell lässt
sich erstellen, indem man die
DAC1-Komponente mit einer
skalaren Verstärkung versieht
und die S-Parameter-Daten (und
damit DAC2) weglässt.
Zusammenfassung
Bild 6: Simulierter und gemessener EVM-Power-Sweep mit einem breitbandigen Gain Block Sys-Parameter-Datensätze stel-
len ein neues und nützliches
Simulation in ADS Im Aufmacherbild ist ein ADS- dem sich all die zuvor beschrie- Hilfsmittel für die Simulation
Schaltplan mit dem Amplifier2- benen Simulationen auch in Key- von HF-Verstärkern dar. Sie
Sys-Parameter-Datensätze Modell zu sehen. Der Schaltplan sight ADS durchführen lassen. sind nützlicher als S-Parameter,
sind in Keysight Genesys und enthält ebenfalls zwei Data-
SystemVue nativ vorgesehen, Access-Komponenten (DAC1 die weder das Rauschen noch
aber in Keysight ADS funkti- und DAC2), die der Zuordnung Bei dieser Methode ist jedoch die Verzerrung oder die Kom-
onieren sie nicht. Es gibt aller- der Sys-Parameter-Daten zum Vorsicht geboten. Wenn HF- pression modellieren. Sie sind
dings eine provisorische Lösung Amplifier2-Modell dienen. Power-Sweeps durchgeführt allerdings nicht so ausgefeilt
für den Import von Sys-Parame- werden, während das Ampli- wie X-Parameter-Modelle, die
ter-Daten in ADS, mit der sich fier2-Modell weit in die Kom- das pegelabhängige Verhalten
Rausch-, Verzerrungs- und Kom- Die Rauschzahl-, OIP3- und pression getrieben wird, weicht von Modellen, wie etwa den
pressions-Simulationen durch- OP1dB-Daten sind als Text- die simulierte Performance AM/PM-Verzerrung oder den
führen lassen. Man verwendet datei formatiert und werden dem tendenziell erheblich von den ACLR-Wert verbessern können.
hierzu das Amplifier2-Modell, Amplifier2-Modell mithilfe von gemessenen Eigenschaften ab.
das in Keysight ADS nativ vor- DAC1 zugeordnet. DAC2 dient Das Erstellen eines Amplifier2- Sys-Parameter-Modelle besit-
handen ist und eine ähnliche dagegen dazu, die S-Parameter- Modells, das S-Parameter-Daten zen jedoch eine einfache tabel-
Funktionalität bietet wie Sys- Daten dem Amplifier2-Modell neben Rausch-, Verzerrungs- und larische Struktur und lassen
Parameter-Modelle. zuzuordnen. Das Resultat ist ein Kompressionsdaten nutzt, eignet sich einfach erstellen, indem
Amplifier2-Modell in ADS, mit sich außerdem am besten für S-Parameter-Daten mit Rausch-
zahl-, OIP3- und OP1dB-Daten
kombiniert werden. Bei Verglei-
chen zwischen simulierten und
gemessenen Daten zeigt sich
eine hervorragende Überein-
stimmung. In ADS können Sys-
Parameter-Modelle eigentlich
nicht verwendet werden, aber
es gibt einen relativ einfachen
Weg zum Migrieren der Daten-
sätze mithilfe der ADS-nativen
Amplifier2-Modellstruktur.
Analog Devices arbeitet stets
daran, seine Bibliothek an Sys-
Parameter-Modellen zu pflegen
und zu erweitern. Mit dem Hin-
zufügen neuer Modelle zu der
Bibliothek wird auch die Unter-
stützung für die Temperatursi-
mulation ergänzt. Die aktuellsten
Bibliotheken für Keysight Gene-
sys und SystemVue stehen auf
analog.com/sys-parameters zum
Bild 7: Simulierte Verstärkung und Rauschzahl als Funktion der Temperatur für den ADPA7007 Download zur Verfügung. ◄
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