Caso ideale

Come prima simulazione, si è cercato di rimanere nel caso più ideale possibile per verificare se il comportamento reale di un PA in classe E fosse abbastanza coincidente con la teoria fin qui esposta. Per questo motivo, si è simulato il comportamento del circuito in seguito all’applicazione di un segnale d’ingresso ad onda quadra di ampiezza ±0.5 V, frequenza f = 1.8 GHz e duty-cicle del 50 %.
Dalle simulazioni effettuate, il PA ha presentato una efficienza di collettore η = 94.625 % ed una  Power-Added Efficiency PAE = 94.263 %, quindi molto prossimi al valore teorico del 100 %. La potenza d’uscita sul carico a 50 Ω è risultata essere di 30.221 dBm, a fronte di una potenza assorbita dall’alimentazione di 30.461dBm e della potenza del segnale d’ingresso di 6.059 dBm, ottenendo quindi un guadagno di 24.162 dB.
Come visibile in fig. 36.4 a),  il PA lavora abbastanza bene in selettività, ottenendo una tensione e corrente d’uscita molto “pulite”. Ciò è evidenziato anche dalle forme d’onda d’uscita mostrate in fig. 36.4 b).

Fig. 34.4: Modello die e parametri Spice per HBFP-0450.

A verifica del funzionamento in classe E, è stata posta attenzione alla tensione collettore-emettitore ed all’andamento della corrente di collettore: queste presentano un andamento molto simile a quello desiderato (fig. 37.4 a)); le differenze riscontrabili rispetto al caso ideale, sono molto probabilmente la causa dell’efficienza  inferiore al 100 %.
In particolare, la tensione ai capi del dispositivo presenta un picco alquanto importante di circa 13 V, considerata la tensione di alimentazione di 3.5 V.
Ulteriori simulazioni di rilievo, hanno riguardato l’analisi del comportamento del circuito al variare di alcuni parametri di funzionamento, quali frequenza , tensione di alimentazione e livello del segnale d’ingresso.

Fig. 35.4: Schema circuitale del PA con ingresso ad onda quadra.

   
          
Fig. 36.4: a) Spettro del segnale d’ingresso e d’uscita. b) Forme d’onda della tensione (1X) e della corrente (20X) d’uscita.


Fig. 37.4: a) Andamento della tensione ai capi del dispositivo, della corrente di collettore e della tensione sulla base. b) Segnale d’ingresso al circuito e sulla base del BJT.

Come illustrato in fig. 38.4, l’andamento, praticamente coincidente, dell’efficienza di collettore e della PAE al variare della frequenza del segnale d’ingresso, descrive una campana simmetrica rispetto alla frequenza di 1.8 GHz, in corrispondenza della quale si ha il massimo di queste due figure di merito.

Fig. 38.4: Efficienza di collettore e PAE al variare della frequenza del segnale d’ingresso.

In fig. 39.4 è evidenziato l’andamento della PAE, dell’efficienza di collettore e della potenza d’uscita in funzione del livello della potenza d’ingresso. In particolare, dalla fig. 39.4 a), si evince che il minimo segnale in ingresso deve avere una Pi_min = 4.5 dBm e si ha il massimo dell’efficienza per Pi =6 dBm (PAE = η = 94 %); tuttavia, l’efficienza si mantiene abbastanza alta (al di sopra del 80 %) per Pi compreso tra 5.7 dBm e 7.2 dBm circa.

   
  
Fig. 39.4: Andamento dell’efficienza di collettore e della PAE in a) e della potenza d’uscita in b) al variare della potenza d’ingresso.

L’andamento della potenza d’uscita al variare della potenza d’ingresso (fig. 39.4 b), permette di analizzare il comportamento lineare del PA; infatti, si evince che la Po cresce linearmente con Pi fino al valore di Pi = 6 dBm e presenta un punto di compressione P_1dB pari a 6.1 dBm.

    
       
Fig. 40.4: Andamento dell’efficienza di collettore e della PAE in a) e della potenza d’uscita in b) al variare della tensione di alimentazione.

L’analisi in funzione della tensione di alimentazione ha determinato un andamento a campana per l’efficienza in cui si ha il massimo per Vcc = 3.5 V; in particolare, PAE_max = 95.5 % e η_max = 95.9 %. Inoltre, PAE ed η presentano uno scostamento abbastanza costante dello 0.4 %. La potenza d’uscita cresce abbastanza linearmente con la Vcc (fig. 40.4).

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