Umrechnung dB-linear leicht gemacht !?

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Umrechnung dB-linear leicht gemacht !?
Überblick über
HochfrequenzSchaltungssimulation
Roland Pfeiffer
23. Vorlesung
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Low-Noise-Amplifier (LNA)
Noise Figure, Verstärkung
lineares
Verhalten
1dB compression point
nichtlineares
Verhalten
3order
intercept point
nichtlineares
Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Mixer
Conversion loss/gain
nichtlineares Verhalten
1dB compression point
nichtlineares Verhalten
Single/Double-Sideband Noise Figure
nichtlineares Verhalten
3order/2order intercept point
nichtlineares Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Voltage-Controlled Oscillator (VCO)
Phase noise
nichtlineares
Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Power Amplifier (PA)
Noise Figure, Verstärkung
lineares
Verhalten
1dB compression point
nichtlineares
Verhalten
3order
intercept point
nichtlineares
Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Power Amplifier (PA)
Adjacent Channel Power Ratio
Load-pull Analyse
simulationszeitaufwendig
simulationszeitaufwendig
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
Problem: Frequenzumsetzung, Frequenzerzeugung
TX/RX
LOSignalerzeug.
keine
Frequenzumsetzung
Verstärker
LNA
Down-conv.
Mixer
zu RX DSP
Sender
PA
Up-conv.
Mixer
von TX DSP
LOSignalerzeug.
Frequenzumsetzung
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
-Unzulänglichkeit von „SPICE“:
nur lineare zeitkonstante Kleinsignalanalyse !!
SPICE
mögliches Werkzeug: SPICE
AC-Analyse:
zuerst DC-Analyse
zur Ermittlung des zeitlich konstanten linearen Arbeitspunktes:
UCC
R
IDS
t
UE
UA
D
G
UA
S
UE
t
IDS
0
Arbeitspunkt
konstant für alle t
SPICE
mögliches Werkzeug: SPICE
dann
Kleinsignalanalyse: AC-, Noise-Analyse mit x-Achse Frequenz,
⇒ Frequenzumsetzung nicht möglich !!
Kleinsignalersatzschaltbild:
UE
UA
f
f
UE
G
D
UA
g0
S
0
R
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Low-Noise-Amplifier (LNA)
SPICE-Simulation
Kleinsignal
SPICE-Ergebnisse
Noise Figure, Verstärkung
lineares
Verhalten
1dB compression point
nichtlineares
Verhalten
3order
intercept point
nichtlineares
Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Mixer
SPICE-Simulation
Conversion loss/gain
nichtlineares Verhalten
1dB compression point
nichtlineares Verhalten
Single/Double-Sideband Noise Figure
nichtlineares Verhalten
3order/2order intercept point
nichtlineares Verhalten
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Voltage-Controlled Oszillator (VCO)
SPICE-Simulation
Phase noise
nichtlineares
Verhalten
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
Unzulänglichkeit von „SPICE“:
nur lineare Kleinsignalanalyse um einen zeitlich konstanten Arbeitspunkt
-Ziel:
Kleinsignalanalyse mit Frequenzverschiebung
Methode ??
Beobachtung an Mixern
Beobachtung:
Mixer LO-Signal zeitlich periodisches Signal
Idee:
„Periodic Steady-State (PSS)“ „DC“-Analyse mit zeitlich
periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal),
dann periodische Kleinsignalanalyse
UE U A
⇒ Frequenzumsetzung möglich !!
U
„DC“
(LO)
f
Beobachtung an Mixern
Vorgehensweise der „Periodic Steady-State (PSS)“ DC-Analyse mit
zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
1. Transiente Analyse zur Vorbereitung
-Periodizät (beachte Reset-Signal tonset)
-Stabililisierungsphase (tstab)
Signal
Beobachtung an Mixern
Vorgehensweise der „Periodic Steady-State (PSS)“ DC-Analyse mit
zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
2. Analyse während des Zeitbereiches period = tinit-tstop zur Vereinfachung
der weiteren Simulation: Methode ??
„DC“Analyse
Signal
Harmonic Balance allgemein
1. „Harmonic Balance“: Methode im Frequenzbereich, innerhalb eines
Schaltungsknotens wird der Werte der Harmonischen so korrigiert, daß
sich die Bauelement-Gleichungen erfüllt sind
Prinzip:
f
Beobachtung an Mixern
Vorgehensweise der „Periodic Steady-State (PSS)“ DC-Analyse mit
zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
1. „Harmonic Balance“: Methode im Frequenzbereich, innerhalb eines
Intervalles wird der Werte der Harmonischen so korrigiert, daß sich
Periodizität ergibt.
Nachteil: gut für schwache, schlecht für starke Nichtlinearität
Prinzip:
„DC“Analyse
⇒
f
Beobachtung an Mixern
Vorgehensweise der „Periodic Steady-State (PSS)“ DC-Analyse mit
zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
2. „Shooting“ Methode: zeitliche Methode, innerhalb eines Intervalles wird
der Anfangsarbeitspunkt so korrigiert, daß sich Periodizität ergibt
Vorteil: unabhängig von Grad der Nichtlinearität
Prinzip:
Iteration
Endergebnis der
Iteration
angewandt in „SPECTRE RF“ !!
Beobachtung an Mixern
Vorgehensweise der „Periodic Steady-State (PSS)“ DC-Analyse mit
zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
2. „Shooting“ Methode: zeitliche Methode, innerhalb eines Intervalles wird
der Anfangspunkt so korrigiert, daß sich Periodizität ergibt
Prinzip:
Realität:
Beobachtung an Mixern
3: Vorbereitung auf Kleinsignalanalyse
mit zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
Time-varying
linear
steady-state
DCAnalyse
Differentation,
Linearisation
⇒
Beobachtung an Mixern
3: Vorbereitung auf Kleinsignalanalyse
mit zeitlich periodischen Arbeitspunkt (LO-Signal)
Time-varying
linear
steady-state
⇒
DC
= fLO
Zusammenfassung
Beobachtung:
Mixer LO-Signal zeitlich periodisches Signal
Idee:
„Periodic Steady-State (PSS)“ mit zeitlich periodischen Arbeitspunkt
(LO-Signal), dann Kleinsignalanalyse
Vorteil: Frequenzumsetzung jetzt möglich,
da Arbeitspunkt nicht mehr zeitlich konstant
Zusammenfassung Periodic Steady-State:
„SPICE“:
t
IDS
Arbeitspunkt konstant für alle t
⇒
keine Frequenzumsetzung !
UA
„SPECTRE RF“:
Periodic Steady-State:
Arbeitspunkt = f(t)
⇒
Frequenzumsetzung !
t
IDS
UA
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kleinsignalanalyse mit Frequenzverschiebung
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: nur lineare Kleinsignalanalyse
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“:
Vorbereitung: „Periodic steady-state“ (pss)
1. Transiente Analyse bis Signale periodisch
2. „Shooting method“
3. Differentation und Linearisation
dann periodische Kleinsignalanalyse
Periodic AC (pac), Periodic XF (pxf), Peroidic Noise (pnoi) usw.
Beobachtung an Mixern
dann „Periodic“ Kleinsignalanalyse
Kleinsignal-Analyse mit sinusförmiger AC-Quelle am RF-Eingang
AC-Quelle= sin(t) RF
(keine Harmonischen!)
sin(t) x (Arbeitspunkt = f(t))
Frequenzumsetzung !
LO
Arbeitspunkt = f(t)
(Harmonische!)
DC
Beobachtung an Mixern
Periodic AC (pac) Analyse
„ein Knoten
auf alle Knoten“
erlaubt: Frequenz des Eingangssignals = LO-Frequenz
Anwendung: u.a. allgemeines Verhalten von Mixern
Beobachtung an Mixern
Periodic XF (pxf) Analyse (Transfer Function)
„alle Knoten auf
einen Knoten“
erlaubt: Frequenz des Eingangssignals = LO-Frequenz
Anwendung: u.a. Conversion gain/loss
Beobachtung an Mixern
Periodic Noise (pnoi) Analyse
„noise folding“
Anwendung: u.a. Rauschverhalten von Mixern
Beobachtung an Oszillatoren
Beobachtung an Oszillatoren:
Ausgang zeitlich periodisches Signal mit unbekannter Periode
Lösung: Schätzung der Oszillator-Periode, dann „Periodic Steady-State“
(zusätzliche Angaben), dann Kleinsignalanalyse mit zeitlich
periodischen Arbeitspunkt
Vorteil: Frequenzumsetzung jetzt möglich, da Arbeitspunkt nicht mehr
zeitlich konstant
Phase Noise Simulation von VCO möglich
Klassifierung von Signalen
Klassifizierung von Signalen:
DC
DC
Sinus
Chaotic
t
f
Klassifierung von Signalen
Klassifizierung von Signalen:
DC
t
f
„Periodic“:
-ein periodische, nichtlineares LO- oder Clocksignal
-lineare Eingangssignale (ohne Harmonische)
-Eingangssignale müssen gemeinsamen Teiler haben
-auch Oszillatoren („autonomous circuits“ im Gegensatz zu „driven circuits“)
simulierbar
-Beispiel: „1dB compression point“ von Mixern
Klassifierung von Signalen
Klassifizierung von Signalen:
DC
t
f
„Quasi-Periodic“:
-ein periodische, nichtlineares LO- oder Clocksignal
-schwach nicht-lineare Eingangssignale (mit Harmonische)
-Eingangssignale müssen keinen gemeinsamen Teiler haben
-noch keine Oszillatoren („autonomous circuits“ im Gegensatz zu „driven
circuits“) simulierbar in „SPECTRE RF“
-Beispiel: „3order intercept point“ von Mixern
Quasi-Periodic Steady-State
Klassifizierung von Signalen:
DC
DC
Sinus
„Periodic“: Eingangssinale ohne Harmonische
Quasi-Periodic: Eingangssignale mit Harmonische
Chaotic
Quasi-Periodic Steady-State
Periodic Steady-State vs. Quasi-Periodic Steady-State ??:
Periodic Steady-State:
Beschränkung auf Eingangssignale,die keine
Harmonische verursachen (small-signal)
z.Bsp. 1dB-compression point bei Mixern
Quasi-Periodic Steady-State:
Erweiterung auf Eingangssignale,
die Harmonische verursachen (moderate)
z.Bsp. 3order intercept point bei Mixern
RX Duplexer
Quasi-Periodic Steady-State
Periodic Steady-State vs. Quasi-Periodic Steady-State ??:
900 MHz
entspricht LO
in PSS
Methode ??
Beobachtung an Mixern
ein „starkes“ LO-Signal
⇒ starke Nichtlinearität ⇒ „Shooting Methode“ vorteilhaft, aber Probleme
mit Quasi-Periodische Signalen (Zeitbereich)
mehrere „schwache“ RF-Signale (Interferers)
⇒ schwache Nichtlinearität ⇒ „Harmonic Balance“ möglich, keine Probleme
mit Quasi-Periodische Signalen (Frequenzbereich)
Methode ??
RF
LNA
LO
Quasi-Periodic Steady-State
Mixed Frequency/Time Methode:
Prinzip der Mixed Frequency/Time Methode:
LO-Signal im Zeitbereich „Shooting Methode“
dann Übergang Zeit/Frequenz durch Fourier-Transformation
RF-Signale im Frequenzbereich „Harmonic Balance“
(Simulationdauer ist von den Harmonischen der RF-Signale abhängig)
dann event.Übergang Frequenz/Zeit durch Inverse Fourier-Transformation
Bezeichnung „SPECTRE RF“: (Quasi-)Periodic-Steady State (Q)PSS,
dann Kleinsignalanalysen
Beobachtung an Mixern
auf (Quasi-)Periodic-Steady State (Q)PSS auch
(Quasi-) Periodic AC (Q) PAC
(Quasi-) Periodic Noise (Q) PNoise
(Quasi-) Periodic Distorion (Q) PDisto
damit durch „Spectre RF“ möglich ⇒
Conversion loss/gain, Single/Double-Sideband
Noise Figure,1dB compression point 3order/2order
intercept point von Mixern Simulation möglich
1dB compression point 3order intercept point
von LNA Simulation möglich
1dB compression point 3order intercept point
von PA Simulation möglich
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: nur lineare Kleinsignalanalyse
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Periodic steady-state (pss)
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Quasi-Periodic steady-state (qpss)
-dann Kleinsignalanalyse, Rauschanalyse
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: transiente Simulation: hoher Simulationszeitbedarf bei stark unterschiedlichen Frequenzen
SPICE
mögliches Werkzeug: SPICE
Großsignalanalyse: Transienten-Analyse, x-Achse Zeit
Frequenzumsetzung möglich
x-Achse Frequenz Fourier-Analyse möglich
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Power Amplifier (PA)
Signale
mit großen Frequenzunterschied:
-schnelles Signal periodisch
-langsames Signal aperiodisch
z.Bsp. Sprachsignal
⇒ hoher Simulationszeitbedarf
bei „SPICE“
Adjacent Channel Power
SPICE Großsignal zeitaufwendig
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: nur lineare Kleinsignalanalyse
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Periodic steady-state (pss)
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Quasi-Periodic steady-state (qpss)
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: transiente Simulation: hohe
Simulationsbedarf bei stark unterschiedlichen Frequenzen
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Envelope following Analysis (EF)
Beobachtung an Signalen
Beobachtung:
Signale mit großen Frequenzunterschied
schnelles Signal periodisch
langsames Signal aperiodisch z.Bsp. Sprachsignal
Idee: „Envelope Following Analyse“
„ein Signal der schnellen Frequenz ist ähnlich den vorhergehenden“
Envelope Following Analyse
Möglich durch Ausnützung der
„Envelope“: mit weniger schnellen
Schwingungen die Schaltung
zu simulieren mit ausreichender
Genauigkeit
bei nicht ausreichender Genauigkeit:
Rücksprung auf transiente Simulation
Envelope Following Analyse
durch Veränderung der Darstellungsart (x-Achse: Realteil des Signals statt
Zeit, y-Achse Imiginärteil des Signals ) ist die Phasendarstellung möglich
(für verschiedene Kenngrößen nötig)
Envelope Following Analyse
durch Fourier-Transformation ist die Darstellung im Frequenzbereich möglich,
aus der die Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) bei Leistungsverstärkern abgeleitet werden kann
Achtung: statisches Ergebnis abhängig von Kurvenform des langsamen
Frequenz
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: nur lineare Kleinsignalanalyse
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Periodic steady-state (pss)
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Quasi-Periodic steady-state (qpss)
-Unzulänglichkeit von „SPICE“: transiente Simulation: hohe
Simulationsbedarf bei stark unterschiedlichen Frequenzen
-Verbesserung durch „SPECTRE RF“: Envelope following Analysis (EF)
-Eigenes Tools „SPECTRE RF“: Load-Pull Analyse (unter anderem!)
Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
z.Bsp. Power Amplifier (PA)
Load-pull Analyse
SPICE Großsignal zeitaufwendig
SPECTRE RF
Ergebnis
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
„SPICE“:
„SPECTRE RF“:
Hochfrequenz-Schaltungssimulation
-Ziel: Kenngrößen direkt simulieren
„Cadence SPECTRE RF“
(vorwiegend zeitliche Analyse)
mit „Agilent Radio Frequency Design Environment“:
„Agilent Advanced Design System (ADS)“
(vorwiegend Frequenzanalyse)
Vorteil bei verteilten Elementen (distributed
elements), elektro-magnetische Simulation
(Momentum),Design Guide zur leichteren
Einarbeitung usw.
Literaturhinweise
Buch:
-K.S. Kundert, J.K. White, A. Sangiovanni-Vincentelli: „Steady-State
Methods for Simulating Analog and Microwave Circuits“ ,Kluwer, 1990,
ISBN 0-7923-9069-5
Veröffentlichungen:
-K. Mayaram et al.: „Computer-Aided Circuit Analysis Tools for RFIC
Simulation: Algorithms, Features, and Limitations“, IEEE Transactions
on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing,
April 2000, S. 274-286
-K.S. Kundert: Introduction to RF Simulation and Its Application“, IEEE
Journal of Solid-State Circuits, September 1999, S. S.1298-1319
-viele Simulations-Veröffentlichungen

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