Techniques de caractérisation en puissancereveyrand.com/products/pdf/Power_Characterization.pdf ·...

1Techniques de caractérisations en puissance http://www.reveyrand.fr XLIM-C²S²http://www.microwave.fr

Formation

Techniques de caractérisation

en puissance

Tibault [email protected]


SOMMAIRE

Introduction

Les standards d’étalonnage

L’analyseur de réseau vectoriel

Le de-embedding

Différentes structures de banc Load-pull

Mesures à TOS constant

Traitement des données de mesure

Le « Smart Load-Pull »

Conclusion


Introduction

Pourquoi faire une caractérisation “fort signal” ?

“Système”

“Circuit”

Performances d’un sous-systeme nonlineaire

Modélisation “boîte noire” d’un sous-système

Performances d’un transistor

Modélisation “spice” d’un transistor

Rétro-simulations

Designflow

FONDERIE

MODULE


Introduction

CaractCaractééristiques en puissance (CW) ristiques en puissance (CW) àà la frla frééquence centrale quence centrale fofo

Amplificateur RF

de puissance

Alimentation DC

PENTREE

Puissance d’entrée

PSORTIE

Puissance de sortie

PDC

Puissance de sortie

PAE

Caractéristiques

de puissance

Puissance d’ entrée

dB / °AM/AM

AM/PM

Conversions


CaractCaractééristiques en puissance (CW) ristiques en puissance (CW) àà la frla frééquence centrale quence centrale fofo

Amplificateur RF

de puissance

Amplificateur RF

de puissance

Alimentation DCAlimentation DC

PENTREE

Puissance d’entrée

PSORTIE

Puissance de sortie

PDC

Puissance de sortie

PAE

Caractéristiques

de puissance


dB / °AM/AM

AM/PM

Conversions


TransistorU(t)

I2(t)I1(t)

V(t)

Commandes:- Tensions U(t) et V(t)

Réponses:- Courants I1(t) et I2(t)

Non-linéarité ⇔ Génération de fréquences harmoniques:Tensions et courants périodiques mais pas forcément sinusoïdaux

Relations temporelles générales:(((( ))))(((( )))))t(V,)t(UF)t(I

)t(V,)t(UG)t(I

NL2

NL1

====

====

Définitions des classes de fonctionnement

TransistorU(t)

I2(t)I1(t)

V(t)TransistorU(t)

I2(t)I1(t)

V(t)

Commandes:- Tensions U(t) et V(t)

Réponses:- Courants I1(t) et I2(t)

Non-linéarité ⇔ Génération de fréquences harmoniques:Tensions et courants périodiques mais pas forcément sinusoïdaux

Relations temporelles générales:(((( ))))(((( )))))t(V,)t(UF)t(I

)t(V,)t(UG)t(I

NL2

NL1

====

====

Définitions des classes de fonctionnementDéfinitions des classes de fonctionnement

Extraire des performances

- Puissance de sortie ;- PAE ;- …

Traiter des quantités physiques

TENSIONS et COURANTSaux bornes du dispositif soustest.


Introduction

Un banc de caractérisation de type Load-Pull

50

Pulsed BiasGenerator

StimulusModulator

Profile PulseGenerator

CW measurement on the center frequency of the sinx/x spectrum

Stimulus PulseGenerator

Sync.

DUTA2B2

A1B1

VNA

Tuner

Pulsed system (optional)

50

Pulsed BiasGenerator

StimulusModulator

Profile PulseGenerator

CW measurement on the center frequency of the sinx/x spectrum

Stimulus PulseGenerator

Sync.

DUTA2B2

A1B1

VNA

Tuner

Pulsed system (optional)


Introduction

• Quelles sont les quantités mesurées ?– En simulation : V et I

– En mesure traditionellement :

les ondes de puissance a et b

– En mesure ICI : les ondes de tension a et b

i ref i

i

ref

v +Z .ia =

2. Zℜ

*i ref i

i

ref

v -Z .ib =

2. Zℜ

Ondes de Kurokawa

K. Kurokawa, “Power waves and the scattering matrix,” IEEE

Trans. on MTT, vol. 13, no. 3, pp. 194-202, March 1965.

i ref iiv +Z .i

a =2

i ref iiv -Z .i

b =2

Ondes de Tension R. B. Marks and D. F. Williams, “A general waveguide circuit

theory,” J. Rsrch. of the Nat. Inst. Of Stds. And Tech., vol. 97,

pp. 533-561, Sept-Oct 1992.


Introduction

v a b= +Appareil de mesure(oscilloscope)

a bi

Zo

−=

a

b

Volts Volts

Transmission

Réflexion

Quantité récupérée par l’utilisateur

Tout instrument doit êtreassocié à un modèle d’erreur


Introduction

• Je suis perdu !!! Que dois-je utiliser ? Les ondes de puissance (comme tout le monde) ou les ondes de tension ?

• Exercice : Calculer une puissance en onde de tension

• Exercice : Calculer un coefficient de réfléxion

• Les ondes de tension sont valides pour tout Zo complexe.

• Les ondes de puissance ne le sont que pour Zo réel.

*1. .2

P V I= ℜ

Les VRAI quantités sont I et V. Ce sont ces données qui sont traitées dans tout simulateur.

Vous pouvez utiliser votre propre définition d’onde à condition de rester cohérant en V/I

b

aΓ =


SOMMAIRE

Introduction



Le de-embedding





Conclusion



• Standards Relatifs– Charge 50 Ohms

– SHORT

– OPEN

– LIGNES d’impedance caractéristique connue

• Standards Absolus– Le Wattmètre

– Le générateur multiharmonique

Chaque standard possède un modèle et des caractéristiques qui lui sont propre.


Les standards relatifs

• Paramètres d’un CALKIT

http://na.tm.agilent.com/pna/caldefs/PNA/85050D.htm

Ex : CALKIT HP 85050D

Ressource pour les CALKITs Agilent :http://na.tm.agilent.com/pna/caldefs/stddefs.html

Paramètres du modèle polynomial décrivant les standards relatifs


Les standards relatifs

• Modèle des CALKIT (SOLT)

33

2210eff .C.C.CCC fff +++=

33

2210eff .L.L.LLL fff +++=

0Load =Γ

( ) ( )( )33

22100

33

22100

.2.f..2.j10

f.Loss.

ZOpen

f.Cf.Cf.CC.f..2.Z.j1

f.Cf.Cf.CC.f..2.Z.j1.e

9GHz10

+++π+

+++π−

=Γ

τπ−τ−

( )( )

( )332

2100

33

2210

0.2.f..2.j

10

f.Loss.

ZShort

f.Lf.Lf.LL.f..2.Z

j1

f.Lf.Lf.LL.f..2.Z

j1

.e9GHz1

0

+++π+

+++π−

−=Γ

τπ−τ−

Les termes du polynôme donne la capacité effective de l’OPEN ainsi que la self inductance du SHORT

Calcul des coefficients de réflexion

Les termes apparaissent sur les pointes ou les kit d’étalonnage


Les standards absolus

• Le wattmètre

Un wattmètre étalonné fournit la puissance sur une impédance idéale de 50 ohms.

Le coefficient de réflexion est fournit avec la sonde (Rho). Dans notre cas, il est mesuré.

Le coefficient de transmission est égal à 1 une fois le wattmètre calibré. La dépendance en fréquence de la sonde est assurée par un CALfactor.


Les standards absolus

• Le générateur multiharmonique (LSNA)

HPRa

HPRΓ

HPR

Les deux paramètres sont fournis lors de la caractérisation de l’étalon

50 100 150 200 2500 300

8.0E8

1.0E9

6.0E8

1.2E9

spectrum

.Spectrum

RefG

en.F

UN

DFR

EQ

m1

m1indep(m1)=spectrum.SpectrumRefGen.FUNDFREQ=8.220E8

11110 20 30 40 50 600 70

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-45

-10

INDEX1dB

m(s

pectrum

.SP

EC

TR

AL[indep(m

1),::])

7.0E8 8.0E8 9.0E8 1.0E9 1.1E96.0E8 1.2E9

2

3

4

5

1

6

FUNDFREQ

spectrum

.PO

WE

RS

YN

TH

Frequence du HPR

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.80.0 2.0

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

-0.0

-0.5

0.1

INDEX1

ts(s

pectrum

.SP

EC

TR

AL[indep(m

1),::])


SOMMAIRE

Introduction



Le de-embedding





Conclusion



• Étalonnage 1 port relatif

• Étalonnage 1 port absolu



• Étalonnage 2 ports sur un modèle à 12 termes d’erreur

Mode forward

Mode reverse

Directivité

Coefficient de réflexion du port 1

Les pertes sur un aller retour

Directivité

Les pertes sur un aller retour

Transmission


Transmission


Isolation

IsolationSOLT



• Étalonnage 2 ports sur un modèle à 8 termes d’erreur

TRL, Multiline, TRM, …



Modèle à 8 ou 12 termes ?



• Étalonnage absolu sous pointes

12 21S S=


SOMMAIRE

Introduction



Le de-embedding





Conclusion


De-embedding

• Toutes les méthodes d’étalonnage à 8 termes sont basées sur un de-embedding des ports de mesure.

=

2

1

2221

1211

2

1

a

a

SS

SS

b

b

=

2

2

2221

1211

1

1

b

a

TT

TT

a

b

[ ]

−

−=

21

2112221112

22 T1

T.TT.TT

T

1S[ ]

−

−=

1S

SS.SS.S

S

1T

22

1122112112

21

b3

a3

e33e22

e23

a0

b0

e00 e11

e01

e10 a1

b1

S22

S12

S21 b2

a2

S11

e32b3

a3

e33e22

e23

a0

b0

e00 e11

e01

e10 a1

b1

S22

S12

S21 b2

a2

S11

e32

[ ] [ ][ ][ ]YXM T.T.TT =


De-embedding

[ ] [ ] [ ] [ ]1 1. .X M YT T T T

− −= [ ]S

b3

a3

e33e22

e23

a0

b0

e00 e11

e01

e10 a1

b1

S22

S12

S21 b2

a2

S11

e32b3

a3

e33e22

e23

a0

b0

e00 e11

e01

e10 a1

b1

S22

S12

S21 b2

a2

S11

e32

[ ] [ ][ ][ ]YXM T.T.TT =

De-emdedding d’un pied de test connu sur des paramètres [S]

De-emdedding à partir de mesures d’ondes a1, b1…

=

2

2

2221

1211

1

1

b

a

TT

TT

a

bPar définition,

Calcul des ondes directement avec les matrices [T] ou leurs inverse.


De-embedding

Boîtier entrée

Boîtier sortie

Pied de testa1

b1

a2

b2

Plan de mesure

(Entrée)

Plan de mesure

(Sortie)

Pied de test

Plan référence intrinsèque après de-embedding

Plan de référence

S4P De-embedding

10 20 30 40 500 60

0.0

0.2

0.4

0.6

-0.2

0.8

ts(Vds_int)

10 20 30 40 500 60

0.0

0.2

0.4

0.6

-0.2

0.8

ts(Vds_int)

ts(Ids_in

t)

(b)(a)

10 20 30 40 500 60

0.0

0.2

0.4

0.6

-0.2

0.8

ts(Vds_int)

10 20 30 40 500 60

0.0

0.2

0.4

0.6

-0.2

0.8

ts(Vds_int)

ts(Ids_in

t)

(b)(a)

De-embedding au plus proche de la source de courant

- Éléments du pied de test (S2P) ;- Éléments localisés du modèle de boîtier ;- Éléments extrinsèques du transistors ;

Mesures(CITIFile) De-embedding

Simulation S4P

Résultat

ADS

a : mesure

b : simulation


De-embedding

Vload_intVe_int Vgrille

S2P

SNP2

File="CONB_1.S2P"

21

Ref

TLIN

TL2

F=1.5 GHz

E=-140

Z=50.0 Ohm

S_Param

SP1

Step=1.5 GHz

Stop=15 GHz

Start=0 GHz

S-PARAMETERS

Term

Term4

Z=50 Ohm

Num=4

Term

Term3

Z=50 Ohm

Num=3

S2P

SNP3

File="CONA.S2P"

21

Ref

C

Cds

C=9.25837e-13 F

VAR

VAR5

Ls=78.67

Rs=0.03068

Cpd=25.74

Ld=54.19155

Rd=0.24784

Cpg=254.9

Lg=8.04061

Rg=0.779

EqnVar

I_Probe

Iload_intL

L9

R=

L=944.4 pH

L

L8

R=

L=0.22 nH

C

C10

C=1.5456 pF

I_Probe

Ie_int

I_Probe

Igrille

L

L7

R=

L=926 pH

C

C9

C=2 pF

L

L5

R=

L=0.27 nH

Term

Term2

Z=50 Ohm

Num=2

Term

Term1

Z=50 Ohm

Num=1

Simulation en S4P pour de-embedding…

Pied de testBoitier du transistor Extrinsèques du transistor


De-embedding

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0 1.4

-6

-4

-2

0

2

4

-8

6

time, nsec

ts(V

1[Index_Tuner,::,::])

ts(V

1[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1,::])

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0 1.4

-0.10

-0.05

0.00

0.05

0.10

-0.15

0.15

time, nsec

ts(I1[Index_Tuner,::,::])

ts(I1[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1,::])

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0 1.4

20

30

40

10

50

time, nsects

(V2[Index_Tuner,::,::])

ts(V

2[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1,::])

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0 1.4

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.0

1.5

time, nsec



dep(m

2)-1,::])

15 20 25 30 35 4010 45

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.0

1.5

ts(V2[Index_Tuner,::,::])


ts(V2[Index_Tuner,indep(m2)-1,::])


dep(m

2)-1,::])

-15 -10 -5 0 5 10 15-20 20

0

10

20

30

-10

40

Pin_dBm[::,::]

Pout_

dB

m[::,::]

Pin_dBm[Index_Tuner,::]

Pout_

dB

m[Index_Tuner,::]

Pin_dBm[Index_Tuner,indep(m2)-1]

Pout_

dB

m[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1]

TUNER (2750.000 to 2825.000)

Gam

ma_tu

ner

m1

(0.000 to 0.000)

Gam

ma_tu

ner[In

dex_Tuner]

m1TUNER=Gamma_tuner=0.831 / -153.070impedance = Z0 * (0.098 - j0.237)

2825.000

-15 -10 -5 0 5 10 15-20 20

20

40

60

0

80

Pin_dBm

PA

E


PA

E[Index_Tuner,::]


PA

E[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1]

5 10 15 20 25 300 35

0102030

-10

40

INDEX

Pout_

dB

m[Index_Tuner,::]

m2

m2INDEX=Pout_dBm[Index_Tuner,::]=33.417

35.000

Eqn Z_load=-V2[Index_Tuner,indep(m2)-1,::]/I2[Index_Tuner,indep(m2)-1,::]

freq (0.0000Hz to 15.00GHz)

Gam

_lo

ad

m4

m4f req=Gam_load=0.833 / -150.560impedance = Z0 * (0.097 - j0.260)

1.500GHz

Eqn Gam_load=(Z_load-50)/(Z_load+50)

5 10 15 20 25 300 35

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.00

0.14

INDEX

I2[Index_Tuner,::,0

]

m6

m6INDEX=I2[Index_Tuner,::,0]=0.004 / 0.000

13.000

-15 -10 -5 0 5 10 15-20 20

10

12

14

16

18

20

8

22

Pin_dBm[::,::]

Gain

_dB

[::,::]


Gain

_dB

[Index_Tuner,::]


Gain

_dB

[Index_Tuner,in

dep(m

2)-1]

Mesures fournies en CITIfile


De-embedding

Le De-embeddingest rentré en équation dans un data-display.


SOMMAIRE

Introduction



Le de-embedding





Conclusion


Bancs de Load-Pull

Bias Tee Bias Tee

Isolator

Isolator

TWA

RF Source

BIASES

50ΩΩΩΩ

Step Attenuator

Bias TeeBias Tee

Isolator

Isolator

TWA

RF Source

BIASES

50ΩΩΩΩ

Step Attenuator

BIASES

Automated Tuner

VNA in receiver mode

DUT Ref. Plane

Automated Tuner


BIASES

Automated Tuner


DUT Ref. Plane

Automated Tuner


Bancs de Load-PullPASSIFS avec mesure des ondes absolues

Avantage(s) ?

Désavantage(s) ?


Bancs de Load-Pull

BIASES


DUT Ref. Plane


Bancs de Load-Pull ACTIFS

BIASES


DUT Ref. Plane


Boucle active

Boucle active #2

Gamma Boost (2eme tuner dans ce cas)

Avantage(s) ?

Désavantage(s) ?

! S’assurer que le signal est correctement filtré dans les boucles sinon oscillations assurées.


Bancs de Load-Pull

Banc de Load-Pull PASSIFS avec mesure au wattmetre

Avantage(s) ?

Désavantage(s) ?BIASES

Wattmètre

Pin (dBm) [f0]

Pout (dBm) [f0]

-14

-12

-10 -8 -6 -4 -2

0.0 2 4 6 8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

0.0

5

10

15

20

25

30

35

40

Zload @ f0 = 26.82 + 11.39i

Zin (?) [f0] [Real]

Zin (?) [f0] [Imaginary]

-5 -4 -3 -2 -1

0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

-22

-21

-20

-19

-18

-17

-16

-15

-14 Zload @ f0 = 26.82 + 11.39i

Ps/Pe sur 1 impedance Variation du Zin (polaire)


SOMMAIRE

Introduction



Le de-embedding





Conclusion



.1700 0.7 je °Γ =

0 0Γ =

VSWR = 2VSWR = 10



• Comment calculer le TOS ?

*opt

Zo Zoptopt

Z Z

Z Z=

−Γ =

+

Zopt

Abaque normalisé sur Zopt Abaque normalisé sur 50Ω

Le TOS est calculé pour une impédance optimale.

Le cercle est retracé sur un abaque référencé sur 50 ohms afin de connaître le coefficient de réflexion àréclamer au tuner.

Guillermo Gonzalez, “Microwave transistor amplifiers – Analysis

and design,” Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jeffrey 07458,

section 1. 7, pp. 45-55, August 1999.


Introduction



Le de-embedding





Conclusion

SOMMAIRE


Visualisation des résultats

L’export des mesures se fait dans un format texte (ASCII)

*.CST *.MDF *.citi

Format de mesure pour le lecteur IV-CAD de AMCAD Engineering.Ce lecteur requière un fichier de licence GRATUIT. Il suffit de se référencer sur le site de AMCAD.

http://www.amcad-engineering.fr/

Format de mesure pour une feuille « design » de ADS.

Format de mesure pour une feuille « display » de ADS.



• Sous IV-CAD (Gratuit)



• Sous ADS (fichier MDF)

index_courbe (0.000 to 24.000)

Zout

Zload

Zloadindex_courbe=Gout=-0.228 + j0.448idx_bloc=0.000000impedance = 21.864 + j26.223

24.000

KORRIGAN

Les modèles pour HPA sont fournis avec ce type de mesure sous ADS


Introduction



Le de-embedding





Conclusion

SOMMAIRE


Smart Load-Pull

( )1 2,i NLb f a a=

( ) ( ) ( ) *1 1 1 2 1 2 2 1 2. . .i i i ib S a a S a a T a a= + +

a1 b2

b1 a2

Développement de Mc Laurin (a2≈0)

3 impédances nécessaires pour identifier les paramètres du modèle à chaque niveau de puissance.

S11

S12

T12

S21

S22

T22

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20Magnitude [dB] vs. a1 [V]

S11

S12T12

S21

S22

T22

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-150

-100

-50

0

50

100

150Argument [°] vs. a1 [V]

S11

S12

T12

S21

S22

T22

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20Magnitude [dB] vs. a1 [V]

S11

S12T12

S21

S22

T22

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5-150

-100

-50

0

50

100

150Argument [°] vs. a1 [V]

( ) ( ) ( ) ( ) 0 1R 1IDC i 1 i 1 i 1 2 i 1 2

a2 0I a = J a + J a . a J a . a

≈ℜ + ℑ

Les ondes a et b sont définiesARBITRAIREMENT afin de rendre nulle a2 sur l’impédance désirée Zref

i ref iiv +Z .i

a =2

i ref iiv -Z .i

b =2


Smart Load-Pull

• Une fois le modèle identifié, pour a1 et gamma donné, on a :

( )( ) ( )

* * * * *22 Load 21 1 22 Load 21 1

2 2 2* *22 Load 22 Load 22 Load

1-S .Γ .S .a + T .Γ .S .ab =

1-S .Γ . 1-S .Γ - T . Γ

2 Load 2a =Γ .b

*1 11 1 12 2 12 2b =S .a +S .a +T .a


0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

10

20

30

40

50

60

70

80

Pin (dBm)

PA

E (%

)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2017

18

19

20

21

22

Pin (dBm)P

ow

er G

ain

(dB

m)0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Pin (dBm)

PA

E (%

)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2017

18

19

20

21

22

Pin (dBm)P

ow

er G

ain

(dB

m)

Smart Load-Pull

• Itération 1 : Identification sur 50 Ohms

12

3

Stability Circle

Pout = 3500 mW

Pdisip = 1400 mW

PAE

12

3

Stability Circle

Pout = 3500 mW

Pdisip = 1400 mW

PAE


Smart Load-Pull

• Itération 2 : Identification sur une charge optimale

Stabili ty Circle

Pout = 3500 mW

Pdisip = 1400 mW

PAE

Stabili ty Circle

Pout = 3500 mW

Pdisip = 1400 mW

PAE


Smart Load-Pull

• Résultats pour la seconde itération

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1817

18

19

20

21

22

23

24

25

Pin (dBm)

Pow

er G

ain (dB

) >2

1.5

1

0.5

0

Maximum Power Gain Error (dB)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1817

18

19

20

21

22

23

24

25

Pin (dBm)

Pow

er G

ain (dB

)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 1817

18

19

20

21

22

23

24

25

Pin (dBm)

Pow

er G

ain (dB

) >2

1.5

1

0.5

0

Maximum Power Gain Error (dB)


Introduction



Le de-embedding





Conclusion

SOMMAIRE


Conclusion

• Étalons relatifs

• Étalons absolus

• Étalonnage du banc – 8 et 12 termes d’erreurs

• Méthodes de de-embedding de mesures S2P et S4P

• Structures possibles pour un banc de load-pull

• Visualisation des résultats

• Méthode de recherche de Zopt


Merci de votre attentionMerci de votre attention

That’ s all

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