Interferenz

Joanne Wu ist Produktmanagerin bei Würth Elektronik und verantwortlich für EMV-Komponenten und Ferrite für die Montage auf Leiterplatten.

Allzweck-HF-Verstärker werden häufig in drahtlosen Kommunikationssystemen verwendet. Durch den Einsatz von Multilayer-Ferriten, die HF-Signale von der DC-Versorgung entkoppeln, kann ein störungsfreier Betrieb gewährleistet werden.

Die Allgegenwart der drahtlosen Kommunikation erhöht den Bedarf an universellen HF-Verstärkern, die in vielen Kategorien eingesetzt werden können, von 5G-Systemen bis hin zu zahlreichen drahtlosen IoT-Anwendungen. Beim Entwurf eines HF-Verstärkers besteht der erste Schritt darin, wichtige Parameter wie Zielfrequenz und Verstärkung zu definieren. Durch die Auswahl optimaler passiver Komponenten können die Übertragungseigenschaften des Geräts verbessert und verbessert werden. Ein gut durchdachtes Layout, das HF-Signale und den Gleichstrom zur Versorgung der Verstärkerstufe in einer einzigen Übertragungsleitung ohne Störungen übertragen kann, verbessert die HF-Leistung weiter.

Eine Schlüsselkomponente für diese störungsfreie Übertragung gemischter Signale (HF und DC) ist die Induktivität zur Entkopplung der HF- und DC-Versorgung. Neben einer Standardinduktivität ist es auch möglich, eine Mehrschicht-Ferritinduktivität zu verwenden. Um die beiden Alternativen zu vergleichen und zu bewerten, wurde eine Evaluierungsplatine eines HF-Verstärkers realisiert und vermessen.

Zur Durchführung der Messung wurden zwei Blockverstärker mit ähnlicher Verstärkung, ADL5544 und HMC311ST89, beide von Analog Devices, ausgewählt. Der ADL5544 ist ein unsymmetrischer HF/ZF-Verstärker mit einer Verstärkung von 17 dB und Breitbandbetrieb von 30 MHz bis 6 GHz. Der IC verfügt über einen integrierten unabhängigen Bias-Steuerschaltkreis.

Die Platinenkonfiguration kann angepasst werden, um die beste Leistung im jeweiligen Frequenzband zu erzielen. Die empfohlenen AC-Koppelkondensatoren C1 und C2 liegen zwischen den Werten 100 nF und 100 pF. Für die Auskopplung des HF-Signals werden je nach Frequenzband drei unterschiedliche Induktivitätswerte – 12 nH, 100 nH und 1000 nH – für die Induktivität L1 empfohlen. Dies ist in der Entwurfsphase normal und gibt dem Benutzer die Flexibilität, das Frequenzspektrum zu bestimmen und Komponenten entsprechend zu modifizieren.

Der HMC311ST89 ist ein Single-Ended-Blockverstärker. Ähnlich wie der ADL5544 bietet er eine Verstärkung von bis zu 16 dB über einen Frequenzbereich von DC bis 6 GHz. Allerdings verfügt dieser IC nicht über eine integrierte Vorspannungssteuerschaltung, sodass ein externer Vorwiderstand erforderlich ist. Für eine stabilere Stromquelle kann ein kleiner, stromsparender und kostengünstiger linearer LED-Treiber verwendet werden. Der LED-Treiber BCR402W von Infineon beispielsweise bietet im Gegensatz zu einem Vorwiderstand eine bessere Stromregelung bei sehr geringem Spannungsabfall.

Die AC-Koppelkondensatoren C1 und C2 sind alle mit 100 pF spezifiziert, im Frequenzbereich um 50 MHz liegt der Zielwert laut Datenblatt jedoch bei 0,01 μF. Für die Induktivität L1 hingegen werden je nach Frequenz eine Reihe unterschiedlicher Werte im Bereich von 3,3–270 nH empfohlen.

Da die beiden HF-Verstärker ähnliche Eigenschaften haben, wird die Induktivität so gewählt, dass sie in beiden Schaltungen ein möglichst breites Frequenzspektrum abdeckt. Die HF-Signalblockierungsinduktivität, auch HF-Drossel genannt, wird zur Entkopplung hochfrequenter Signale verwendet, indem sie eine hohe Impedanz bereitstellt und gleichzeitig Gleichstrom durchlässt. Daher hängt die Wahl der Drossel vom Betriebsfrequenzbereich des Verstärkers ab. Dies bedeutet, dass Drosseln mit unterschiedlichen Werten so ausgelegt sind, dass sie in einem bestimmten Frequenzbereich die beste Entkopplung erzielen. Der Nachteil besteht darin, dass bei einer Änderung der Designvorgaben ein neuer Induktor ausgewählt werden muss. Hier kommen Mehrschichtferrite als unkonventionelle Alternative zu Induktivitäten ins Spiel, die einen universellen Einsatz bei geringeren Kosten ermöglichen.

Mehrschichtferrite sind passive Bauelemente mit hoher Dämpfung über einen weiten Frequenzbereich. Ihre Hauptfunktion besteht darin, hochfrequentes Rauschen in Signalzweigen zu reduzieren, indem sie im Hochfrequenzbereich als Impedanz (Widerstand) fungieren, Gleichstromsignale durchlassen und Wechselstromsignale „herausfiltern“. Da sie üblicherweise mit Impedanzwerten angegeben werden, muss zunächst die Induktivität berechnet werden, um sie der empfohlenen Anwendung zuzuordnen. Diese Induktivität kann geschätzt werden, indem die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz durch das 2π-fache dieser Frequenz dividiert wird.

Bei Luftspulen haben Faktoren wie die Sättigung aufgrund der Gleichstromvorspannung keinen Einfluss auf die Aufrechterhaltung der Induktivität. Im Gegensatz dazu hat die Gleichstromvorspannung einen großen Einfluss auf mehrschichtige Ferrite und der durch das Bauteil fließende Strom verändert die Induktivität, wodurch sich die Impedanzkurve im unteren Frequenzbereich (< 100 MHz) ändert und die Eigenresonanzfrequenz zu höheren Frequenzen verschiebt gleichzeitig. Daher sollte ein Richtwert der Impedanz als Funktion des Betriebsstroms berücksichtigt werden, um die korrekte Induktivität in der Anwendung anzunähern.

Anhand der HF-Verstärker-Evaluierungsplatine wurden mehrere Standardinduktivitäten und mehrschichtige Ferrite für den Einsatz als Drosseln untersucht. Der WE-KI und der WE-KI HC sind drahtgewickelte Keramikinduktivitäten, die sich ideal für HF-Anwendungen eignen. Die vom Hersteller empfohlenen Werte von 56 nH und 100 nH bilden die Grundlage für den Vergleich mit den alternativen Vielschichtferriten WE-CBF, WE-CBF HF und WE-TMSB.

Die Untersuchung zeigt, dass mit dem mehrschichtigen Ferrit ein breiteres Frequenzspektrum und eine höhere Stabilität durch geringere Reflexionen, also eine bessere Anpassung, erreicht werden konnte. Genauer gesagt hatte die Ferritdrossel WE-CBF HF eine hohe und stabile Impedanz und daher eine hohe Entkopplung mit geringen Spitzenresonanzen, während die Standarddrossel WE-KI eine geringere Bandbreite und durchgehend sichtbare Resonanzen aufwies. Beim Vergleich der beiden HF-Verstärker war der HMC311ST89 mit externer Vorspannung besser als der ADL5544 mit integrierter Vorspannung. Das Ziel, eine breitere nutzbare Frequenzspektrumanwendung zu erreichen, wurde erreicht.

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