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angefertigt von
Mohamed Ahmedbei
Prof. Dr.-Ing. K. SolbachFachgebiet
Hochfrequenztechnik
an der
Universität Duisburg-Essen
Vortrag über die Bachelorarbeit
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Thema:
Begrenzverstärker mit Polyphasen-
Phasenschieber für ein 7-Tesla MRI
Leistungsverstärker
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• Problemstellung
• Bauteile und Grundlagen
• Layout und Simulationsergebnisse
• Messergebnisse
• Signaloptimierung
• Fazit
Mohamed Ahmed 11.04.2012 3
Inhalt
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Der Leistungsverstärker beinhaltet eine Treiberverstärker-Kette und eine
kartesische Rückführungs- und Regelschleife, die die Phase und Amplitude des
erzeugten Leistungssignals regeln.
Regelverstärker benötigt
Signal mit gleichbleibender Amplitude
zwei Signale mit 90° Phasenverschiebung
Bandfilterung bei der Frequenz 300MHz
Mohamed Ahmed 11.04.2012 4
Problemstellung
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Abb.1 Gesamtschaltung
Mohamed Ahmed 11.04.2012 5
Problemstellung
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ADP-2-10
Power Splitter
AD8309
Limitierender Verstärker
MAX2471
Pufferverstärker
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Bauteile
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ADP-2-10
Mini-Circuits
Dämpfungsmaß von 3dB
Frequenzbereich 5-1000MHz
Bei 300MHz
Dämpfung zwischen 3.36dB und 3.41dB
Mohamed Ahmed 11.04.2012 7
Bauteile
Abb.2: ADP-2-10
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AD8309
Logarithmisch limitierender Verstärker
Frequenzbereich 5-500MHz
Betriebsspannung liegt bei 2,7V - 6,5V
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Bauteile
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Funktionsweise des AD8309
6 Verstärkerstufen
je 12dB Verstärkung
jeweils an einem Detektor
angeschlossen
U-I Wandler
Ströme werden addiert
I-U Wandler
Spannung am RSSI Ausgang
Limitierfunktion wird durch hinzu schalten eines Widerstandes
aktiviert.
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Bauteile
Abb.3:Schematischer Aufbau
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Funktionsweise
Beschaltung des Ausgangs
LMDR, führt zur Limitierung
Abb.4:Basisschaltung des AD8309
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Bauteile
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MAX2471/70
Frequenzbereich
5 - 500 MHz
Betriebsspannung
2,5V-5,5V
Hier:
MAX2471 wird benutzt
mit einem Eingang oder zwei Eingängen
Abb.5:Basisschaltung
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Bauteile
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Mohamed Ahmed 11.04.2012 12
Polyphasen Netzwerk
Zusammenschaltung aus Kondensatoren und Widerständen
zwei Eingangssignale
Phasenverschiebung von 180°
4 Ausgangssignale
Mit je 90° Phasenverschiebung
Berechnung von R oder C bei der
Frequenz von f=300MHz mit:
RCf
2
1 Abb.6: Polyphasen Netzwerk
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Mohamed Ahmed 11.04.2012 13
Resistiver Powersplitter
T-Schaltbild mit zwei unterschiedlich gedämpften Ausgängen
maximal -6dB Dämpfung an Ausgang 1
minimal-6dB Dämpfung an Ausgang 2
Je kleiner die Dämpfung am Ausgang 1,
desto größer Dämpfung am Ausgang 2
Abb.7: T-Schaltung Abb.8: Leistungsteiler mit unterschiedlichen Ausgängen
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Durch geeignete Auswahl einer Dämpfung
am Ausgang 1,
und mit
und
können die Widerstände Ru und Rt
berechnet werden
Mohamed Ahmed 11.04.2012 14
Resistiver Powersplitter
111 )log(20 dBav
1
1
1
1
a
aRs
sp
u
RR
R
21
41
1
s
sp
R
RR
2
12
u
ut
R
RRpR
1
a1: Verhältnis zwischen Ein und Ausgang
v1 : Dämpfung
Z0=1
Abb.10: resistiver Powersplitter
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Abb.5: Schaltplan der Platine
Mohamed Ahmed 11.04.2012 15
Layout
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Für Platine werden verschiedene Widerstandswerte mit dem Programm ADS simuliert.
Für den resistiven Leistungsteiler ergeben sich folgende Werte:
Für das Polyphasen Netzwerk ergeben sich folgende Werte:
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Simulationsergebnisse
22
440
15
t
u
s
R
R
R
pFC
R
20
28
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Erste Messung
Test ADP-2-10
res. Leistungsteiler
AD8309
Zweite Messung
Anschluss erster
Teilschaltung mit dem
Polyphasen Netzwerk
Mohamed Ahmed 11.04.2012 17
Messergebnisse
Abb.7: Gesamtschaltung
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ADP-2-10
S1 liegt an SMA Stecker
Dämpfung liegt zwischen
3,8 und 4,2 dB
Aus dem Datenblatt
bei Frequenz 300MHz 3,2-3,4dB
Mohamed Ahmed 11.04.2012 18
Messergebnisse
Eingang/dB S1 /dB
-30 - 34.23
- 20 - 24
- 10 - 13.8
0 - 3.8
10 6.17
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Messung mit Tastkopf
Berechnung mit
bei 300MHz eine Dämpfung von 3,1dB
Mohamed Ahmed 11.04.2012 19
Messergebnisse
f/MHz Eingang/mV S1/mV S2/mV d/dB
35MHz 720 504 524 -3.1
200MHz 640 412 412 -3.8
300MHz 300 210 210 -3.1
400MHz 290 191 173 -3.6
1
2log20U
Ud
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Resistiver Leistungsteiler
Messung mit Tastkopf
ohne ADP-2-10 Dämpfung
Gesamtdämpfung von:
Vergleich des Ausgangs Out1
Tastkopf: -8,18 dB SMA: -9,8 dB
Mohamed Ahmed 11.04.2012 20
Messergebnisse
f/MHz Port 1/mV Out 1/mV Out 2/mV d1/dB d2/dB
35MHz 504 270 240 -5.42 -6.44
200MHz 412 230 210 -5.06 -5.85
300MHz 210 117 100 -5.08 -6.44
400MHz 191 94 85 -6.15 -7.03
dB,dB),(dB ),( 54913446
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AD8309
Mohamed Ahmed 11.04.2012 21
Messergebnisse
Gemessener Verlauf am RSSI Ausgang
Verlauf vom Datenblatt am RSSI Ausgang
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Bandfilterung
mit den Werten:
Mohamed Ahmed 11.04.2012 22
Messergebnisse
nHL
pFC
27
10
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Gesamtschaltung
Messung beider Teilschaltungen
Fehlfunktion Max2471
An Ausgängen keine Spannung
vorhanden
weiterhin Probleme nach
mehrmalige Austauschens
Übergangslösung Überbrückung des Bauteils
Mohamed Ahmed 11.04.2012 23
Messergebnisse
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keine Bandfilterung
mehr vorhanden
Neuanpassung des Filters
über die Güte Q
ergibt sich für C und L
Mohamed Ahmed 11.04.2012 24
Signaloptimierung
L
CRQ
nHL
pFC
9,6
29
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Bessere Bandfilterung
wird erreicht.
Mohamed Ahmed 11.04.2012 25
Signaloptimierung
MHzf 43
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Betriebsspannung nun auf
4,5V gesetzt
MAX2471 funktioniert
Nach Anschluss mit
Polyphasen Netzwerk
verzerrtes Signal am
Ausgang
unterschiedlich stark
verzerrt
Mohamed Ahmed 11.04.2012 26
Signaloptimierung
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Impedanzniveau des Polyphasen Netzwerks erhöhen.
Neue Impedanz liegt bei:
Z=130Ω
Eingangsimpedanz des MAX2471
mit 130Ω anpassen
Datenblatt zeigt
Eingangsimpedanz
bei:
Zein=150Ω -j200Ω
Mohamed Ahmed 11.04.2012 27
Signaloptimierung
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Mit der Eingangsimpedanz des Verstärkers wird
bei Zein=150Ω -j200Ω die dazugehörige
Paralellschaltung ermittelt
Die Werte für C und R sind:
C=1,7pF
R=416Ω
Rx ist der Widerstand mit dem die Schaltung
an Z=130Ω angepasst werden kann.
Rx=189Ω
Mohamed Ahmed 11.04.2012 28
Signaloptimierung
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Neue Werte für die Widerstände und Kapazitäten des Polyphasen Netzwerks
R=82Ω und C=6,8pF
Ein Trimmkondensator ersetzt
den Kondensator C2 ,
eine Verfeinerung der gewünschten
90° Phasenverschiebung
Mohamed Ahmed 11.04.2012 29
Signaloptimierung
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Änderungen zeigen
Wirkung am Ausgang
weitere Verzerrungen an
einem Ausgang
Mohamed Ahmed 11.04.2012 30
Signaloptimierung
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Weitere Verbesserungen durch:
Kompensation Kondensator
Amplitudenunterschied
verkleinert
Widerstände in Reihe
Veringerung der Verzerrungen
Mohamed Ahmed 11.04.2012 31
Signaloptimierung
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Kaum noch Verzerrungen
kein Amplituden-
unterschied mehr
Mohamed Ahmed 11.04.2012 32
Fehlerbehebung
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Das Ausgangssignal
zeigt den limitierenden
Verlauf des AD8309.
Limitiert bei -13,2dBm
Mohamed Ahmed 11.04.2012 33
Signaloptimierung
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Erste Teilschaltung
gute Ergebnisse
wenig Schwierigkeiten
Zweite Teilschaltung
viele Änderungen
Zusammenspiel zwischen MAX2471 und Polyphasen Netzwerk verbessert
Nach den Änderungen gute Ergebnisse erhalten.
Mohamed Ahmed 11.04.2012 34
Fazit
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• Redesign mit allen Änderungen
• Platine kompakter
• ohne Testpunkte
Mohamed Ahmed 11.04.2012 35
Ausblick
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Mohamed Ahmed 11.04.2012 36
Redesign