Maximieren der Ausgangsleistung PLL-Synthesizer mit offenen Kollektor-Ausgängen

Messungen an einer Leiterplatte mit dem Oszilloskop.
Was hilft, wenn die Versorgungsspannung zu niedrig für die Ausgangsstufen ist, um die erforderliche Leistung abzugeben?

Mit niedrigen Betriebsspannungen lässt sich Energie sparen. Allerdings müssen die Ausgänge von PLL-Synthesizer-ICs in der Lage sein, Leistung an die nachfolgende Stufe zu übertragen. Mit Open-Collector-Ausgängen ist eine Steigerung der Ausgangsleistung möglich - wenn einige Details beachtet werden.

Herzstück eines jeden Funk-Transceivers ist meist ein auf PLL-Technik (Phase-Locked Loop) basierender Synthesizer, der ein Signal für nachfolgende Stufen wie etwa Mischer, Filter und Leistungsverstärker erzeugt. Bei höheren Frequenzen führen Impedanz-Unstimmigkeiten und Verluste auf der Leiterplatte dazu, dass sich die von einem PLL-Synthesizer oder Taktbaustein gebotene Ausgangsleistung reduziert.

Die mögliche Folge sind Beeinträchtigungen wie etwa eine Verringerung der Empfindlichkeit. Ein PLL-Frequenzsynthesizer muss deshalb eine hohe Ausgangsleistung erreichen und in seiner Ausgangsimpedanz an die Übertragungsleitung und die angesteuerte Last angepasst sein, damit genügend Spielraum für Verluste auf der Leiterplatte und in den nachfolgenden Bauelementen vorhanden ist.

Diesem Bedarf an mehr Ausgangsleistung laufen die bei den Halbleiterprozessen bestehenden Trends zur Verwendung niedrigerer Spannungen zuwider. Für Entwickler stellen diese Trends eine Herausforderung dar, denn sie führen häufig dazu, dass die PLL-Synthesizer auf eine geringere Ausgangsleistung kommen.

Eine gängige Schaltung für PLL-Ausgangsstufen ist die Transistorstufe mit offenem Collector (Bild 1). Mit ihr kann der Großteil des PLL-ICs mit niedrigeren Spannungen arbeiten, wodurch die Wärmeentwicklung im IC selbst verringert wird, und sie ermöglicht eine höhere Ausgangsleistung.

Das Prinzip eines solchen Open-Collector-Ausgangs besteht darin, dass ein Transistor einen Strom durch einen Widerstand oder eine Induktivität steuert, der bzw. die mit einer höheren Spannung verbunden ist.

Üblicherweise werden der Widerstand oder die Induktivität in unmittelbarer Nähe zum IC platziert. Da die Anpassung zwischen dem Ausgang des Transistors und dem Widerstand oder der Induktivität sehr mangelhaft sein wird, besteht die einzige Möglichkeit, die Signalverluste infolge dieser Fehlanpassung einzudämmen, in der Verwendung einer Leiterbahn, deren Länge weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Ausgangssignals entspricht.

50-Ω-Widerstände werden häufig in diesen Schaltungen verwendet, weil sie die Ausgangsimpedanz theoretisch an die Impedanz der Übertragungsleitung und des Verbrauchers anpassen. In Wirklichkeit jedoch liegt die tatsächliche Ausgangsimpedanz unter den gewünschten 50 Ω, weil die Ausgangsimpedanz parallel zum 50-Ω-Widerstand liegt. Darüber hinaus kommt es zu einer ungewollten Differenz-Gleichspannung am Widerstand, die dazu führt, dass die Ausgangsleistung geringer ist als zu erwarten wäre.

In Bild 1 ist ein 50-Ω-Widerstand dargestellt, doch in einigen Fällen kann der Widerstand durch eine Induktivität ersetzt werden. In diesem Beitrag geht es darum, welche Folgen es hat, wenn anstelle des Widerstands eine Induktivität verwendet wird.

Wie wirkt sich die Impedanz auf die Ausgangsleistung aus?

Zum Berechnen der Ausgangsleistung ist das am Collector angeschlossene Bauelement ebenso wie die Last (50 Ω) mit der AC-Masse verbunden, wie es in Bild 2 dargestellt ist.

Werden alle Verluste und Wellenleitungseffekte außer Acht gelassen, ist die Spannung an der Last (Verbraucher) das Produkt aus der Stromstärke und der Parallelschaltung aus Lastimpedanz und der am Collector angeschlossenen Impedanz.

Auf der Basis dieses Werts lässt sich mit Gleichung 1 die Leistung berechnen, die an den Verbraucher abgegeben wird:

 

P equals U squared over R
P space equals fraction numerator open vertical bar begin display style fraction numerator i cross times Z subscript P u l l U p end subscript cross times 50 capital omega over denominator Z subscript P u l l U p end subscript plus 50 capital omega end fraction end style close vertical bar squared over denominator 50 capital omega end fraction
P equals open vertical bar fraction numerator Z subscript P u l l U p end subscript over denominator Z subscript P u l l U p end subscript plus 50 capital omega end fraction close vertical bar squared cross times i squared cross times 50 capital omega space space space space space left parenthesis 1 right parenthesis

 

Aus Gleichung 1 geht hervor, dass sich durch Anheben der Impedanz des am Kollektor angeschlossenen Bauelements der Ausgangsspannungshub und damit die Ausgangsleistung vergrößern. Wird jedoch ein Widerstand am Kollektor verwendet, begrenzt dieser stets auch den Gleichstrom der durch den Transistor fließt. Ein Anheben des Widerstandswertes führt damit automatisch zu einer Leistungsreduktion.

Induktivität statt Widerstand

Bei höheren Frequenzen ist deshalb die Verwendung einer Induktivität anstatt eines Widerstands zu empfehlen, denn mit ihr lässt sich eine erhöhte Impedanz erzielen, ohne dass eine DC-Differenzspannung entsteht. Bild 3 illustriert die Verwendung von Gleichung 1 zum Berechnen der relativen Leistungen wenn am Kollektor der Schaltung aus Bild 1 ein Widerstand mit 50 Ω, eine Induktivität mit 1 nH und eine Induktivität mit 10 nH verwendet wird.

Aus Bild 3 geht hervor, dass eine Induktivität am Kollektor bei Frequenzen über 4,5 GHz eine höhere Ausgangsleistung ergibt als ein 50-Ω-Widerstand. Sofern die Frequenz oder der Induktivitätswert hinreichend hoch ist, kann die Steigerung der Ausgangsleistung theoretisch bis zu 6 dB betragen.

In der Realität aber setzen die Eigenschaften der Bauelemente, wie etwa die Eigenresonanzfrequenz der Induktivität, der Leistungssteigerung Grenzen.

Bild 4 zeigt Messwerte zum LMX2594 [1] von Texas Instruments, angeschlossen an den 50-Ω-Eingang eines Spektrumanalysators. Die 1-nH-Induktivität weist eine Eigenresonanzfrequenz von 13,6 GHz auf, bei der 10-nH-Induktivität liegt die Eigenresonanzfrequenz bei 3,8 GHz. Bei 1 GHz ergibt sich mit der 1-nH-Induktivität infolge der niedrigeren Impedanz eine geringere Ausgangsleistung, ganz wie es gemäß Bild 3 zu erwarten ist. Bei höheren Frequenzen allerdings sind die 1-nH- und die 10-nH-Induktivität dem 50-Ω-Widerstand überlegen. Oberhalb von 10 GHz schließlich ist die 1-nH-Induktivität besser als die Induktivität mit 10 nH, da letztere nichtideale Eigenschaften aufweist, wenn die Frequenz größer als ihre Eigenresonanzfrequenz ist.

Durch den Einsatz einer Induktivität zum Verbinden des unbeschalteten Kollektors in der Ausgangsstufe (Bild 1) mit der Versorgungsspannung lässt sich also die Ausgangsleistung gegenüber dem 50-Ω-Widerstand anheben. Zwei Nachteile dürfen jedoch nicht verschwiegen werden:

  • Die Ausgangsleistung bei niedrigen Frequenzen ist geringer.
  • Die Impedanzanpassung ist mäßig.

Bei niedrigen Ausgangsfrequenzen kann ein Widerstand also die bessere Wahl sein, weil er die bessere Anpassung und eine höhere Leistung ermöglicht. Sind die Frequenzen aber höher, kann eine Induktivität eine größere Ausgangsleistung ermöglichen.

Induktivität plus Widerstand

Wenn der Ausgang auch mit niedrigen Frequenzen arbeitet, lässt sich die Induktivität durch einen Serienwiderstand ergänzen, wie es in Bild 5 zu sehen ist, um das Verhalten bei niedrigen Frequenzen sowie bei oder oberhalb der Eigenresonanzfrequenz zu verbessern. Für diesen Serienwiderstand kommen Werte zwischen 25 Ω und 50 Ω in Frage.

In Bild 5 ist außerdem ein Widerstands-Dämpfungsglied in der Leitung zur Last platziert, um die Anpassung zu verbessern. Wenn beispielsweise die Induktivität am Kollektor zwar eine unzureichende Anpassung ergibt, dafür aber die Leistung um 6 dB anhebt, kann ein 3-dB-Dämpfungsglied verwendet werden, was in Summe einen Gewinn um 3 dB ermöglicht. Durch das Dämpfungsglied verringert sich außerdem die Empfindlichkeit des Ausgangs gegen Belastungseffekte. Die Ausgangsimpedanz bleibt dann näher an 50 Ω, auch wenn die Impedanz des Collektor-Knotens des Transistors verglichen mit dem am Kollektor angeschlossenen Bauelement nicht hoch ist.

 

Literatur

[1] LMX2594 15 GHz Wideband PLLatinum RF Synthesizer with Phase Synchronization and JESD204B support. Texas Instruments, Datenblatt, April 2019, www.ti.com/lit/ds/symlink/lmx2594.pdf.

[2] Banerjee, D.: PLL Performance, Simulation, and Design. Doc Ear Publishing, 5. Auflage, 2017, ISBN-10: 1457551772.

 

Der Autor

 

Dean Banerjee, M. Sc.

ist Applikationsingenieur bei Texas Instruments mit über 20 Jahren Erfahrung im Umgang mit Phasenregelkreisen. Er hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik und angewandter Mathematik und ist Autor des Buches „PLL Performance, Simulation und Design“ [2].

asktexas@ti.com