Emmanuel Dupouy

Caraterizao de um amplificador no linear

Esse tutorial mostra como simular as caratersticas no lineares de um amplificador usando a

ferramenta AWR. As caratersticas simuladas sero:

a distoro harmnica

a compresso do ganho

a intermodulao de ordem 3

O circuito a analisar o amplificador NL_AMP encontrado no menu General Active Nonlinear.

Esse amplificador responde equao no linear de ordem 3: () = 1 + 22 + 3

3 e inclui

tambm um efeito de saturao da tenso de sada (ver na simulao transiente abaixo).

Por padro, as impedncias de entrada e da sada so de 50 e no existe reflexo nem na entrada

nem na sada.

Configurar o amplificador como mostrado na figura anterior.

Um sinal de amplitude pequena na entrada do amplificador amplificado de forma linear. Quando a

amplitude vem a aumentar, o amplificador responde de forma no linear e provoca uma distoro do

sinal de sada, gerando frequncias harmnicas.

Simulao transiente no domnio do tempo Esse tipo de simulao salva tenso e corrente a cada ponto do tempo que simula. O intervalo de

tempo entre cada ponto calculado automaticamente pelo software. No caso de um sinal peridico,

se pode escolher o nmero de perodos que preciso simular.

Montar o circuito mostrado na figura abaixo.

NL_AMPID=AM1GAIN=10 dBNF=0 dBIP2H=40 dBmIP3=20 dBmP1DB=10 dBm

Emmanuel Dupouy

As entrada e sada do circuito so realizadas com uns componentes chamados portas (encontrado no

menu Ports). Por padro essas portas tem uma impedncia de 50 . Toda porta pode ser configurada

como terminao ou como fonte.

Escolher o tipo de porta: entrar nas opes da porta e na aba Port. A porta de entrada deve

estar configurada como fonte (Source) e porta de sada como carga (Termination).

Introduzir uma varivel Pin para poder modificar dinamicamente o valor da potncia de

entrada.

Criar um grfico retangular chamado transient (nome da simulao que sera realizada)

Acrescentar a esse grfico duas medies de tipo non linear (como mostrado na figura abaixo):

o tenso de entrada

o tenso de sada

Simular e visualizar o resultado para uma potncia de entrada de -30 dBm

Pin=20

NL_AMPID=AM1GAIN=10 dBNF=0 dBIP2H=40 dBmIP3=20 dBmP1DB=10 dBm

PORT1P=1Z=50 OhmPwr=Pin dBm

PORTP=2Z=50 Ohm

Emmanuel Dupouy

Calcular o ganho e conferir com o ganho configurado no amplificador

Fazer a mesma simulao com uma potncia de entrada de 3 dBm

Simulao da distoro harmnica A simulao anterior permite de entender o que provoca a distoro do sinal de sada mas

geralmente muito consumidora de recursos informticos e pouca usada em RF. Imagine uma

portadora a 2,5 GHz modulada por um sinal de frequncia 100 kHz. Para poder simular 2 perodos do

sinal modulante, preciso simular 50000 perodos da portadora!

Outro problema que elementos como linhas de transmisso so muito mal modelados no domnio

do tempo. Tambm, mais fcil quantificar o nvel de distoro no domnio da frequncia visualizando

diretamente o nvel de potncia do sinal s frequncias harmnicas.

Para realizar a simulao:

pegar o esquema anterior

criar um novo grfico retangular chamado output spectrum

acrescentar a esse grfico duas medies:

o potncia de entrada em dBm

o potncia de sada em dBm

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Time (ns)

Transient

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

p2p1

0.096 ns0.009978 V

0.296 ns0.03147 V

Vtime(NL_AMP.AM1@1,1)[1] (V)nao_linear.AP_TR

Vtime(NL_AMP.AM1@2,1)[1] (V)nao_linear.AP_TR

p1: Freq = 2.5 GHz

p2: Freq = 2.5 GHz

Emmanuel Dupouy

realizar a simulao para -30 dBm e para 3 dBm de potncia de entrada

A potncia de entrada de 3 dBm ultrapassou a potncia do ponto de compresso de 1 dB ?

Simulao do ponto de compresso de 1 dB Para quantificar a potncia a partir de qual o circuito se torna no linear, ns vamos realizar a

simulao do ponto de compresso de 1 dB. Para isso, necessrio realizar mltiplas simulaes com

a potncia de entrada aumentando.

Acrescentar um elemento SWPVAR ao esquema. A forma mais simples de realizar um

clique direito encima da varivel Pin e selecionar Setup Sweep...

0 5 10 12.5

Frequency (GHz)

Output spectrum

-400

-300

-200

-100

0

100

p1

p2

2.5 GHz3 dBm

5 GHz-14.01 dBm

2.5 GHz11.06 dBm

DB(|Pharm(PORT_2)|)[1] (dBm)nao_linear.AP_HB

DB(|Pharm(PORT_1)|)[1] (dBm)nao_linear.AP_HB

p2: Freq = 2.5 GHz

p1: Freq = 2.5 GHz

Emmanuel Dupouy

Configurar a varredoura para realizar 100 pontos de simulao de -30 dBm at 10 dBm

Criar um novo grfico chamado Pout_vs_Pin

Acrescentar a medio seguinte:

Ao contrrio da medio anterior (com Pharm), essa simulao (com Pcomp) calcula somente a

potncia de um harmnico (escolhido com o menu Harmonic Index, o nmero 1 indica o

fundamental).

Simular

O resultado deve aparecer conforme ao grfico abaixo.

-30 -20 -10 0 10

Pout_vs_Pin

-30

-20

-10

0

10

20

p3

DB(|Pcomp(PORT_2,1)|)[1,X] (dBm)

nao_linear.AP_HB

DB(|Pcomp(PORT_2,2)|)[1,X]

nao_linear.AP_HB

Re(Eqn(Pout_ideal))

Output Equations 1

p3: Freq = 2.5 GHz

Emmanuel Dupouy

Se pode observar que as no linearidades do amplificador se tornam evidentes quando a potncia de

entrada passa de 0 dBm. Mas a leitura do ponto de compresso fica um pouco difcil nesse grfico.

Uma boa prtica de subtrair a potncia de entrada potncia de sada para obter diretamente o

ganho. Para isso, vamos utilizar umas equaes:

Criar uma folha de equaes no menu Output Equations

Nessa folha, acrescentar as medies da potncia de entrada e potncia de sada para o

fundamental e calcular o ganho

As duas primeiras equaes so de tipo Output Equation. Elas permitem de realizar medies no

circuito. As outras so de tipo Equation, para realizar clculos.

Criar um novo grfico chamado Power gain

Acrescentar o resultado da equao Ganho a esse grfico

Simular

Deduzir o ponto de compresso de 1 dB

Emmanuel Dupouy

Simulao do ponto de intermodulao de ordem 3 A presena de sinais interferentes perturba o funcionamento do amplificador, mais particularmente o

efeito de intermodulao de ordem 3 que pode criar uns componentes espectrais extremamente difcil

de filtrar.

Para comear, vamos realizar uma simulao para visualizar os componentes espectrais criados

durante uma simulao com dois sinais de entrada s frequncias 2,5 e 2,6 GHz.

Essa simulao requer dois sinais, ela chamada de 2 tone. No esquema eltrico, entrar na

configurao da porta de entrada, na aba Port e selecionar Tone 1 & 2

Colocar Pin como potncia para cada um

Ajustar o parmetro Fdelt (espaamento entre os 2 tone) para 0,1 GHz para gerar os dois

tone a 2,5 e 2,6 GHz.

Abrir o grfico Output Spectrum para visualizar a apario dos componentes espectrais

Modificar as medies associadas a esse grfico: ao lugar de escolher Plot all traces no menu

SWPVAR.SWP1, escolhe a opo Select with tuner

Simular usando o boto de tuning (crculo vermelho na imagem abaixo)

Fazer variar a potncia de entrada e visualizar a comportamento do espectro de sada

-30 -20 -10 0 10

Ganho

2

4

6

8

10

0.3039.0088

|Eqn(Ganho)|Output Equations 1

Emmanuel Dupouy

Vamos dar agora uma ateno mais particular as frequncias resultando da intermodulao de ordem

3, chamadas IM3.

Abrir o grfico Pout_vs_Pin

Alm da medio da potncia do fundamental j configurada, acrescentar a medio do IM3

Simular e visualizar o resultado

A caracterizao do efeito de intermodulao de ordem 3 realizada com a medio do ponto de

intermodulao de ordem 3 (OIP3) que corresponde a potncia do fundamental para qual a potncia

do IM3 o iguala. Esse valor fictcio e resulta duma extrapolao dum crescimento do IM3 de 30

dB/dec e do fundamental de 10 dB/dec at que fundamental e IM3 se cruzam. Ento, basta ter a

informao da potncia do fundamental e do IM3 a um ponto de potncia baixo para poder deduzir o

OIP3.

Desligar o sweep da potncia de entrada com um clique direito, Toggle Enable

Escolher uma potncia baixa para cada tone: -30 dBm

Criar um grfico de tipo Tabular para efeituar uma leitura direta do OIP3

Acrescentar a medio do OIP3 a essa tabela

Emmanuel Dupouy

O resultado aparece na tabela e deve estar igual ao valor entrado para o parmetro IP3 do

amplificador.