Caso reale

La frequenza del segnale d’ingresso al PA (non più un’onda quadra ma sinusoidale), come precedentemente anticipato, è stata di 700 MHz, mentre la tensione di alimentazione è stata fissata a 4.5 V.
Dalle simulazioni effettuate, il PA ha presentato una efficienza di collettore η = 71.326 % ed una  Power-Added Efficiency PAE = 70.220 %, valori comunque validi.
La potenza d’uscita sul carico a 50 Ω è risultata essere di 16.015 dBm, a fronte di una potenza assorbita dall’alimentazione di 17.483 dBm e della potenza del segnale d’ingresso di –2.082 dBm, ottenendo quindi un guadagno di 18.097 dB.

 

Fig. 42.4: Schema circuitale del PA completo di rda e linee di trasmissione.

Un aspetto molto importante nel corso della progettazione del PA è stato il  dimensionamento della rete di adattamento d’ingresso, poiché il modellamento della giunzione B-E del bjt è funzione del segnale applicato ad essa. La scelta progettuale è stata di effettuare l’adattamento per una tensione continua di polarizzazione V_POL = 1 V.
Determinata in questo modo l’impedenza d’ingresso del circuito, si è dimensionata la rda, tenendo conto dell’impedenza a 50 Ω del generatore di segnali. 

          
Fig. 43.4: a) Spettro del segnale d’ingresso e d’uscita. b) Forme d’onda della tensione (1X) e della corrente (20X) d’uscita.

Anche in questo caso, il PA risulta molto selettivo in frequenza e le forme d’onda della tensione e corrente d’uscita sono “pulite”. L’ampiezza della v_out è di circa 2 V mentre quella della i_out è di 37.5 mA circa (fig. 43.4).
In fig. 44.4 a) sono evidenziate le forme d’onda della tensione e della corrente ai capi del dispositivo: si verifica in tal modo il comportamento in classe E del PA, anche se si differenziano dal caso ideale, determinando un’efficienza inferiore al 100 %. Importante notare che il valore di picco della v_ce sia contenuto sotto ai 10 V.
Come nel caso ideale, si è caratterizzato il PA al variare dei parametri di funzionamento (frequenza, tensione di alimentazione e potenza del segnale d’ingresso).
L’analisi in frequenza è stata effettuata in un intervallo ampio 100 MHz intorno alla frequenza di 700 MHz, con step di 10 MHz.
  
      
Fig. 44.4: a) Andamento della tensione ai capi del dispositivo (1X) e della corrente di collettore (10X). b) Segnale d’ingresso al circuito e sulla base del BJT.

  
   
Fig. 45.4: a) Efficienza di collettore, PAE e b) guadagno al variare della frequenza del segnale d’ingresso.

In fig. 45.4 è mostrato l’andamento dell’efficienza di collettore, della PAE e del guadagno al variare della frequenza: queste figure di merito presentano tutte un andamento a campana con massimo alla frequenza di lavoro, tranne il guadagno che risulta massimo G=19.119 dB alla frequenza di 690 MHz. Questo comportamento è meglio spiegato dall’analisi in frequenza della potenza d’uscita, della potenza d’ingresso e della potenza assorbita dall’alimentazione: la differenza tra potenza d’uscita e potenza assorbita è minima (in dB) in corrispondenza di f = 700 MHz per cui è massima l’efficienza, mentre la differenza cresce spostandosi a destra e sinistra dei 700 MHz e conseguentemente cala  l’efficienza. Il guadagno, massimo alla frequenza di 690 MHz, diminuisce lievemente alla frequenza centrale di lavoro poiché la potenza d’uscita diminuisce tanto più rapidamente della diminuzione della potenza del segnale d’ingresso. Tali curve in fig. 46.4 a) evidenziano anche il buon comportamento della rete d’adattamento d’ingresso. La fig. 46.4 b) evidenzia i valori massimi delle tensioni d’ingresso, d’uscita e ai capi del dispositivo. La tensione d’uscita è massima e pari a circa 3 V alla frequenza di 680 MHz, mentre il picco della v_ce si mantiene al di sotto dei 10 V nel range di frequenze compreso tra 695 MHz e 715 MHz.

  
Fig. 46.4: Andamento al variare della frequenza del segnale d’ingresso della potenza d’ingresso, d’uscita e assorbita dall’alimentazione in a) e delle tensioni d’ingresso, d’uscita ed ai capi del dispositivo in b).

Altrettanto significativa è risultata l’analisi condotta al variare della tensione di alimentazione. L’intervallo d’osservazione è stato tra 2 e 12 V, con step di 0.5 V.
Infatti, l’efficienza ed il guadagno sono risultati massimi in corrispondenza di V_CC = 6 V. In particolare, in tali condizioni di funzionamento η = 78.050 e PAE = 77.069, mentre il guadagno G = 19.011 dB (fig. 47.4). Questa analisi è ampiamente spiegata dagli andamenti della potenza d’ingresso, d’uscita e assorbita dall’alimentazione, rendendo meglio comprensibile il comportamento del PA al variare della VCC  (fig.48.4 a)).

  
Fig. 47.4: a) Efficienza di collettore, PAE e b) guadagno al variare della tensione di alimentazione.

Fig. 48.4: Andamento al variare della tensione di alimentazione della potenza d’ingresso, d’uscita e assorbita dall’alimentazione in a) e delle tensioni d’ingresso, d’uscita ed ai capi del dispositivo in b).

Si potrebbe essere tentati di innalzare la tensione di alimentazione, passando da 4.5 V di progetto a 6 V, ottenendo un miglioramento delle prestazioni in termini di guadagno ed efficienza. Tuttavia dall’analisi del grafico della tensione di picco ai capi del dispositivo in fig. 48.4 b), questa scelta è nettamente sconsigliata, poiché il picco della vce si attesta intorno ai 14 V, che potrebbero essere eccessivi per il bjt, anche trattandosi di una tensione impulsiva. E’ consigliabile non applicare una tensione di alimentazione superiore ai 4.8 ÷ 5 V.

Fig. 49.4: Andamenti al variare della potenza del segnale d’ingresso. Efficienza di collettore e PAE in a); guadagno in b). La tensione vi  rappresenta la tensione a vuoto del generatore di segnali.

 
Fig. 50.4: Potenza d’uscita in funzione della potenza d’ingresso: punto di compressione a 1 dB

L’analisi condotta al variare della potenza del segnale d’ingresso (-7 ÷ 15.3 dBm) non ha evidenziato particolari significativi. L’efficienza e il guadagno risultano massimi per Pi = -2.082 dBm, che può essere considerato il punto di compressione a 1dB (fig.50.4).

Segnala questa pagina a qualcuno
Stampa questa pagina