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Simulazione amplificatori RFLa simulazione lineare e non lineare di circuiti RF è stata tradizionalmente affrontata in modi molto diversi.

Per simulare il guadagno e la perdita in cascata per piccoli segnali, i progettisti di apparecchiature RF hanno solitamente utilizzato modelli a parametri S, ampiamente disponibili.

Invece, la simulazione non lineare è sempre stata più difficoltosa, a causa dell’indisponibilità di dati in formato digitale (ad esempio, IP3, P1dB, e rumore), insieme ad una storica assenza nei comuni simulatori RF di strutture con modelli frequenza-varianti.

I progettisti di circuiti RF sono tipicamente ricorsi a fogli di calcolo fatti in casa per il calcolo del rumore e della distorsione in cascata.

Questi fogli di calcolo, tuttavia, faticano a simulare le caratteristiche a livello di sistema, come l’EVM (Error Vector Magnitude) e l’ACLR (Adjacent Channel Leakage Ratio), parametri che diventano rilevanti quando la catena del segnale è pilotata da segnali modulati.

Questo articolo prenderà in esame alcune strutture di modelli di amplificatori RF che combinano dati lineari a parametri S con dati non lineari come il valore di rumore, IP3, P1dB e PSAT.

Mostreremo anche i risultati delle simulazioni a livello di sistema per valutare come viene modellato accuratamente il comportamento nella realtà.

Parametri S e Sys-Parameter

I dataset dei parametri S sono di gran lunga il modello di simulazione RF più utilizzato. Si tratta di dataset tabulari standardizzati costituiti da return loss in ingresso, guadagno, isolamento inverso e return loss in uscita al variare della frequenza, il tutto in formato vettoriale.

I dati vengono generalmente raccolti in condizioni di piccolo segnale, con segnali di pilotaggio ben distanti dai punti di compressione del segnale. I parametri S sono tipicamente usati per simulare il guadagno in cascata, per progettare reti di accoppiamento di igresso e uscita e per valutarne la stabilità.

Tuttavia, i parametri S non contengono informazioni sulle caratteristiche di rumore, compressione o distorsione di un dispositivo.

ADPA7002AEHZ

Test Conditions: VD = 5 V; ID = 600 mA; Temperature = 25°C

Freq (MHz)

Gain (dB)

Noise Figure (dB)

OP1dB (dBm)

RISO (dB)

OIP3 (dBm)

S11m (dB20)

S11a (°)

S22m (dB20)

S22a (°)

20,000

16.95

8.74

26.56

–67.721

36.44

–7.75

173.729

–11.557

147.426

21,000

17.68

8.24

26.91

–73.233

36.76

–8.517

80.526

–11.122

62.568

21,500

17.93

7.9

27.03

–68.951

36.88

–9.589

34.318

–11.311

22.785

22,000

17.93

7.36

27.17

–61.943

37.15

–10.697

–10.322

–11.509

–19.276

23,000

17.65

6.99

27.52

–59.98

37.96

–12.651

–103.636

–11.98

–97.33

23,500

17.56

6.81

27.74

–61.879

38.41

–14.063

–151.565

–12.827

–134.022

24,000

17.47

6.63

27.96

–80.139

38.73

–15.938

165.692

–12.945

–168.222

24,500

17.37

6.43

28.34

–58.564

38.86

–16.997

121.508

–13.498

148.481

25,000

17.29

6.21

28.76

–61.205

38.91

–17.923

62.549

–15.611

113.253

25,500

17.21

6.09

29.13

–78.557

38.99

–19.426

–7.015

–17.18

69.575

26,000

17.24

5.9

29.43

–57.547

39.12

–18.303

–66.409

–17.852

6.777

26,500

17.15

5.83

29.58

–52.009

39.13

–15.27

–111.709

–17.11

–77.28

27,000

17.18

5.77

29.67

–46.65

39.19

–12.005

–156.238

–14.802

–149.404

27,500

17.11

5.79

29.75

–46.267

39.31

–10.127

156.189

–13.119

156.549

28,000

17.06

5.68

29.81

–47.084

39.38

–9.77

110.867

–11.898

106.852

29,000

17.15

5.49

30.03

–44.2

39.84

–14.726

26.262

–12.296

20.551

30,000

17.09

5.53

30.07

–49.031

40.1

–19.255

–50.641

–10.565

–71.449

Tabella 1: Un tipico dataset Sys-Parameter


La Tabella 1 mostra una parte del dataset Sys-parameter per il circuito integrato ADPA7002 di Analog Devices, un amplificatore di potenza da 18 GHz a 44 GHz e 0,5 W.

La struttura del modello del dispositivo con Sys-parameter è stata definita da Keysight per l'utilizzo nei suoi simulatori di circuiti e sistemi RF, PathWave RF Synthesis (Genesys) e PathWave System Design (SystemVue).

La struttura tabulare del dataset è costituita da dati di parametri S combinati con rumore, intermodulazione di terzo ordine e dati di compressione a 1 dB indicizzati rispetto alla frequenza.

Tuttavia, l'inclusione di dati IP3, P1dB e relativi al rumore danno la possibilità di simulare sweep di potenza RF e il rapporto segnale-rumore. Anche le caratteristiche di ordine superiore del segnale, come ACLR ed EVM, possono essere simulate nel range di frequenza del dispositivo.

Analog Devices dispone di un'ampia libreria di Sys-parameter per amplificatori RF e mixer, disponibile per il download e inclusa anche nelle installazioni di Keysight Genesys e SystemVue.

Tipico modello con Sys-parameter in Keysight GenesysFig. 1: La schermata di Keysight Genesys mostra un tipico modello con Sys-parameter.

La Figura 1 mostra una schermata di Keysight Genesys. La libreria dei Sys-parameter di Analog Devices è facilmente accessibile tramite il Part Selector.

Il modello del dispositivo con i Sys-parameter per ciascun dispositivo è costituito dai dati mostrati nella Tabella 1, insieme alle informazioni aggiuntive contenute nella finestra delle Proprietà del modello.

Questi dati aggiuntivi sono costituiti dalle informazioni sull'alimentazione insieme agli offset di default per PSAT e OIP2, relativi a OP1dB.

Valutazione dell’Accuratezza dei Modelli Sys-parameter

Per valutare l'accuratezza dei modelli Sys-parameter, eseguiremo ora una serie di confronti tra i risultati misurati e le simulazioni.

Misure e simulazioni di uno sweep di potenza di un amplificatore RF all'arseniuro di gallio (GaAs)Fig. 2: Misure e simulazioni di uno sweep di potenza di un amplificatore RF all'arseniuro di gallio (GaAs)

La Figura 2 mostra i risultati misurati e simulati per uno sweep di potenza a 10 GHz di HMC788A, un blocco di guadagno RF da 10 MHz a 10 GHz.

Possiamo osservare che lo sweep di potenza simulato ha una corrispondenza molto vicina ai dati misurati.

Il simulatore utilizza il guadagno del dispositivo e i dati OP1dB insieme ad un PSAT_Delta per generare il grafico mostrato. In questo caso il PSAT_Delta è di 2 dB. Ne risulta un valore PSAT che è di 2 dB sopra il livello OP1dB, che è un tipico valore predefinito per gli amplificatori RF GaAs.

Figura 3. Simulazione e misura della distorsione di AM-to-AM e AM-to PM

Figura 4. Sweep di potenza simulato e misurato di un HMC1114, amplificatore GaN da 10 W a 3,2 GHz.

Distorsione AM-to-AM e AM-to-PM

Per dare un'occhiata più da vicino alle Misure e simulazioni di uno sweep di potenza di un amplificatore RF all'arseniuro di gallio (GaAs), possiamo considerare la distorsione AM-to-AM e AM-to-PM.

I risultati misurati e simulati sono mostrati in Figura 3 per l’amplificatore HMC930A.

Simulazione e misura della distorsione di AM-to-AM e AM-to PM Fig. 3: Simulazione e misura della distorsione di AM-to-AM e AM-to PM

La distorsione AM-to-AM misurata ha una corrispondenza molto vicina alla simulazione. Tuttavia, la simulazione indica che non c'è distorsione AM-to-PM, il che non è corretto.

Ciò è dovuto al fatto che il modello del dispositivo ed il dataset contengono solo informazioni ridotte sulla fase del segnale (cioè S21).

Sebbene il simulatore possa utilizzare i dati OP1dB e PSAT_Delta del modello del dispositivo per stimare la distorsione AM-to-AM, non dispone di dati sui parametri S del segnale di grandi dimensioni con cui lavorare.

Questo è un caso in cui l'uso di un modello più elaborato, come il formato dei parametri X (i modelli dei parametri X hanno incorporati parametri S dipendenti dal livello), sarebbe appropriato.

Sweep di potenza simulato e misurato di un amplificatore GaN da 10 W a 3,2 GHzFig. 4: Sweep di potenza simulato e misurato di un amplificatore GaN da 10 W a 3,2 GHz

La Figura 4 mostra uno sweep di potenza a 3,2 GHz per il circuito integrato HMC1114LP5DE di Analog Devices, un amplificatore RF al nitruro di gallio (GaN) da 10 W.

Gli amplificatori RF GaN tendono ad avere una caratteristica di compressione molto più morbida rispetto ai dispositivi in GaAs.

Ciò richiede una regolazione del parametro PSAT_Delta, cioè la differenza tra il punto di compressione di 1 dB ed il punto di saturazione.

In questo caso, il delta è stato impostato a 7 dB in base alle misure osservate. Sebbene in alcuni casi il simulatore genererà un avviso a causa dell’ampio delta, simulerà comunque correttamente e produrrà un risultato che corrisponderà strettamente alle prestazioni misurate.

Simulazione ACLR

Man mano che ci si allontana dalle misure e dalle simulazioni con segnali CW verso il comportamento con segnali modulati, il valore e l'importantza di un dataset Sys-parameter aumentano.

Mentre le informazioni sul guadagno del dispositivo, la compressione, l'IP3 e il valore di rumore sono prontamente disponibili nelle schede tecniche del dispositivo, è improbabile trovare anche i grafici che mostrano le prestazioni con segnali modulati nelle schede tecniche dei dispositivi progettati per uso generico.

Inoltre, metriche come ACLR ed EVM non sono facilmente prevedibili senza simulazione o l'esecuzione di misure specifiche.

Simulazione ACLRFig. 5: Simulazione ACLR

La Figura 5 mostra i risultati simulati per uno sweep di potenza a 2140 MHz per il circuito integrato ADL5320 di Analog Devices, un amplificatore driver da 0,25 W, quando è pilotato da una portante da 5 MHz.

La portante simulata consiste di 11 sottoportanti equidistanti e l'ACLR è misurato con un offset della portante di 5 MHz.

La simulazione suggerisce che l'ACLR raggiunge il suo valore ottimale a una potenza di ingresso di -15 dBm. Al di sotto di questa, l'ACLR degrada dB per dB con il livello di ingresso.

Questa regione del grafico è dominata dai dati del valore di rumore nel dataset. Quando la potenza di ingresso aumenta al di sopra di -15 dBm, l'ACLR si degrada a una velocità che è strettamente correlata con l'IP3 del dispositivo.

È significativo notare che i risultati di questa simulazione si basano sia sui dati del valore di rumore (a bassa potenza) che sui dati dell'IP3 (ad alta potenza) per produrre uno sweep ACLR accurato attraverso un ampio intervallo di potenza.

Il grafico include anche i dati misurati (in blu). Non si raggiunge lo stesso livello ottimale per un livello di ingresso di -15 dBm; ciò è dovuto alle limitazioni della configurazione di misura.

Risulta evidente che all'aumentare del livello di potenza in ingresso, l'ACLR misurato si degrada più velocemente. Ciò è dovuto al fatto che l'OIP3 del dispositivo si degrada leggermente con il livello input/output di potenza (idealmente non dovrebbe cambiare).

L'IP3 nel dataset del modello di dispositivo è un unico dataset e non cambia con il livello di potenza; può essere considerato come IP3 di piccolo segnale del dispositivo. Anche in questo caso un modello a parametri X, con la sua più elaborata modellazione in funzione del livello, potrebbe produrre una simulazione più accurata.

Simulazione EVM

I modelli Sys-parameter possono essere utilizzati anche per simulare in modo affidabile l'EVM.

Sweep di potenza EVM simulato e misurato di un blocco di guadagno a banda largaFig. 6: Sweep di potenza EVM simulato e misurato di un blocco di guadagno a banda larga

La Figura 6 mostra i risultati di uno sweep EVM misurato e simulato rispetto al livello di potenza RF dove il segnale di ingresso è una portante da 1 MSPS con modulzione 16 QAM che pilota il circuito integrato ADL5602 di Analog Devices, un blocco di guadagno a banda larga da 50 MHz a 4 GHz.

Questo risultato mostra un'eccellente correlazione tra misura e simulazione sia a bassi che ad alti livelli di potenza.

Simulazione variazioni di temperatura

Il dataset predefinito dei Sys-parameter nella libreria ADI contiene solo dati della temperatura ambiente.

Tuttavia, il modello può essere esteso aggiungendo ulteriori schede al dataset che contengono i dati di temperatura.

Guadagno simulato e valore del rumore rispetto alla temperatura per un amplificatore di potenza da 18 GHz a 44 GHz, 1 W.Fig. 7: Guadagno simulato e valore del rumore rispetto alla temperatura per l'amplificatore di potenza da 1 W ADPA7007 da 18 GHz a 44 GHz

La Figura 7 mostra il dataset disponibile per il circuito integrato ADPA7007 di Analog Devices, un amplificatore di potenza da 18 GHz a 44 GHz, 1 W.

Questo dataset ha singole schede che contengono gli stessi dati di guadagno, rumore e distorsione ma a -55°C, +25°C e +85°C.

I simulatori Genesys e SystemVue utilizzano questi tre datapoint per generare dati interpolati ad altre temperature, anch'essi mostrati in Figura 7.

Simulazione in ADS

I dataset dei Sys-parameter sono nativi di Keysight Genesys e SystemVue, ma non funzionano in Keysight ADS.

Esiste una soluzione alternativa per importare un dataset Sys-parameter in ADS che permette di eseguire simulazioni di rumore, distorsione e compressione.

Ciò comporta l'utilizzo del modello Amplifier2. Si tratta di un modello nativo di Keysight ADS che offre funzionalità simili ai modelli con Sys-Parameter.

La Figura 8 mostra uno schema ADS che include un modello Amplifier2. Lo schema contiene anche due componenti di accesso ai dati, DAC1 e DAC2. Questi blocchi DAC sono usati per associare i dati del Sys-Parameter al modello Amplifier2.

Utilizzo dei dati Sys-parameter in Keysight ADS utilizzando il modello Amplifier2.Fig. 8: Utilizzo dei dati Sys-parameter in Keysight ADS utilizzando il modello Amplifier2.

Il valore di rumore, i dati OIP3 e OP1dB sono formattati in un file di testo e vengono associati al modello Amplifier2 utilizzando il componente DAC1.

Il componente DAC2 viene utilizzato per associare i dati dei parametri S al modello Amplifier2.

Ne risulta un modello Amplifier2 in ADS che può essere utilizzato per eseguire tutte le stesse simulazioni già discusse, ma in Keysight ADS.

Con questo metodo è necessario prestare attenzione, poiché quando si eseguono sweep di potenza RF in cui il modello Amplifier2 viene spinto in forte compressione, le prestazioni simulate tendono a deviare significativamente dalle prestazioni misurate.

Inoltre, la creazione di un modello Amplifier2 che utilizza i dati dei parametri S insieme ai dati di rumore, distorsione e compressione è più adatto ai dispositivi che hanno una buona perdita di ritorno in ingresso e uscita (S11 e S22); questo è il caso della maggior parte degli amplificatori RF di Analog Devices che non richiedono componenti di adattamento RF esterni.

Un modello Amplifier2 più semplice può essere creato aggiungendo un guadagno scalare al componente DAC1 e omettendo i dati del parametro S (cioè omettere DAC2).

Conclusioni

I dataset Sys-parameter rappresentano un nuovo e utile strumento di simulazione dell’amplificatore RF.

Sono più potenti dei parametri S, che non modellano il rumore, la distorsione e la compressione.

Non sono così elaborati come i modelli dei parametri X, che possono migliorare il comportamento dipendente dal livello del modello, come la distorsione AM-to-PM e l'ACLR.

Tuttavia, i modelli Sys-parameter hanno una semplice struttura tabulare e possono essere facilmente creati combinando i dati dei parametri S con i dati del valore di rumore, OIP3 e OP1dB.

Il confronto tra i dati simulati e quelli misurati mostrano un'eccellente conformità. Mentre i modelli di Sys-parameter non possono essere utilizzati in ADS, è possibile seguire un processo relativamente semplice per migrare i dataset utilizzando la struttura del modello Amplifier2, che è nativa di ADS.

Analog Devices si impegna a mantenere e ampliare la sua libreria di modelli Sys-parameter. Con l'aggiunta di nuovi modelli alla libreria, verrà aggiunto il supporto per la simulazione della temperatura. Le librerie più aggiornate per Keysight Genesys e SystemVue possono essere scaricate all'indirizzo analog.com/sys-parameters.

*Eamon Nash è Applications Director in Analog Devices

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