Leistungsverstärker

Leistungsverstärker - Die Endstufe deines Senders

Der Leistungsverstärker (PA = Power Amplifier) ist die letzte Stufe vor der Antenne. Er verstärkt das schwache Signal aus den vorherigen Stufen auf die gewünschte Sendeleistung.

Stell dir vor: Ein Leistungsverstärker ist wie ein Lautsprecher-Verstärker für Funksignale:

Er nimmt ein schwaches Signal und macht es stark genug zum Senden
Je nach Betriebsart (A, B, AB, C) arbeitet er unterschiedlich effizient
Filter am Ausgang unterdrücken unerwünschte Oberschwingungen

Frage AF401: Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad gibt an, wie viel der zugeführten Energie tatsächlich in HF-Leistung umgewandelt wird - der Rest wird zu Wärme.

AF401 - Definition: Wirkungsgrad = HF-Ausgangsleistung ÷ zugeführte Gleichstromleistung

$\eta = \frac{P_\text{HF-Ausgang}}{P_\text{DC-Eingang}} = \frac{P_\text{out}}{U_\text{B} \times I_\text{B}}$

Beispiel: Ein Verstärker liefert 100 W HF-Ausgangsleistung bei 13,8 V und 15 A Stromaufnahme:

$\eta = \frac{100\,\text{W}}{13{,}8\,\text{V} \times 15\,\text{A}} = \frac{100}{207} = 0{,}48 = \mathbf{48\%}$

Die restlichen 107 W werden als Wärme abgegeben - deshalb brauchen Endstufen gute Kühlung!

Frage AF402: Betriebsarten A, AB, B, C

Die Betriebsart bestimmt, wie lange der Transistor während einer Signalperiode Strom führt. Dies wird als Stromflusswinkel bezeichnet.

Die vier Betriebsarten im Vergleich

Klasse	Stromflusswinkel	Wirkungsgrad	Oberwellen	Linearität	SSB-geeignet?
A	360° (immer)	~40%	Sehr gering	Sehr gut	✓ Ja
AB	180°-360°	50-70%	Gering	Gut	✓ Ja
B	180° (Halbwelle)	~78%	Mittel	Mäßig	✓ Ja*
C	<180°	80-87%	Hoch!	Schlecht	✗ Nein!

*B-Betrieb erfordert Gegentaktschaltung für lineare Verstärkung

AF402: C-Betrieb erzeugt den größten Oberschwingungsanteil!

Warum erzeugt C-Betrieb so viele Oberschwingungen?

Bildlich erklärt: Stell dir eine Sinuswelle vor:

A-Betrieb: Die komplette Welle wird verstärkt → bleibt ein Sinus
B-Betrieb: Nur die obere Hälfte wird verstärkt → "abgeschnittener" Sinus
C-Betrieb: Nur kurze Spitzen werden verstärkt → stark verzerrte Pulse

Je stärker das Signal verzerrt wird, desto mehr Oberschwingungen (Harmonische) entstehen. Diese müssen durch Filter unterdrückt werden!

Wann welche Betriebsart?

SSB, AM, digitale Betriebsarten

→ A-, AB- oder B-Betrieb

Lineare Verstärkung erforderlich!

FM, CW (Morsen)

→ C-Betrieb möglich

Nur konstante Amplitude, keine Info in der Hüllkurve

Wichtig für die Prüfung: Ein SSB-Sender darf niemals im C-Betrieb arbeiten! Das Signal würde stark verzerrt und würde auf Nachbarfrequenzen stören ("Splatter").

Fragen AF403-AF405: Ausgangsfilter und Abschirmung

Frage AF403: Warum Metallgehäuse?

Im C-Betrieb entstehen starke Oberwellen mit hoher Leistung. Diese könnten ohne Abschirmung abstrahlen und andere Geräte stören.

AF403: Ausgangsanpassschaltung und Filter müssen in einem gut abschirmenden Metallgehäuse untergebracht werden.

Fragen AF404-AF405: Das Pi-Filter

Das Pi-Filter (π-Filter) am Ausgang eines Senders hat zwei wichtige Aufgaben:

AF404 + AF405: Das Pi-Filter dient zur:

Impedanztransformation: Passt die Senderimpedanz an die Antenne an
Oberwellenunterdrückung: Als Tiefpass filtert es die Harmonischen heraus

Fragen AF406-AF411: Schaltungserkennung

Fragen AF406-AF407: Impedanzanpassung mit LC-Gliedern

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AF406: Die X-Bauteile passen die Lastimpedanz an die gewünschte Impedanz für die Transistorschaltung an.

Warum ist das nötig? Transistoren arbeiten oft mit anderen Impedanzen als 50 Ω. Die Anpassnetzwerke "übersetzen" zwischen den verschiedenen Impedanzen.

🔍

AF407: Die X-Bauteile transformieren die Ausgangsimpedanz der vorhergehenden Stufe auf die Eingangsimpedanz des Transistors.

Frage AF408: Selektiver vs. Breitbandverstärker

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AF408: Ein selektiver HF-Verstärker.

So erkennst du den Unterschied:

Selektiv: Hat einen Schwingkreis (L+C) im Signalpfad → verstärkt nur eine Frequenz
Breitband: Hat Übertrager/Trafos statt Schwingkreise → verstärkt breiten Frequenzbereich

Frage AF409: Spulenanzapfung

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AF409: Die Anzapfung dient zur Anpassung der Eingangsimpedanz an die vorgelagerte Stufe.

Durch die Anzapfung kann man verschiedene Impedanzverhältnisse "abgreifen" - ähnlich wie bei einem Transformator mit mehreren Anzapfungen.

Frage AF410: Kapazitiver Spannungsteiler

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AF410: C₁ und C₂ dienen zur Impedanzanpassung.

Ein kapazitiver Spannungsteiler kann wie eine Anzapfung wirken und verschiedene Impedanzen "transformieren".

Frage AF411: HF-Drossel

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AF411: X dient zur HF-Entkopplung.

Die HF-Drossel verhindert, dass HF-Signale in die Spannungsversorgung gelangen. Für Gleichstrom ist sie fast ein Kurzschluss, für HF ein hoher Widerstand.

Fragen AF412-AF417: Breitband- und Gegentaktverstärker

Was ist ein Gegentaktverstärker?

Im Gegentaktverstärker (Push-Pull) arbeiten zwei Transistoren zusammen:

Funktionsweise:

Transistor 1 verstärkt die positive Halbwelle
Transistor 2 verstärkt die negative Halbwelle
Am Ausgang werden beide Hälften wieder zusammengesetzt

Vorteile: Höherer Wirkungsgrad (B- oder AB-Betrieb möglich), bessere Linearität, Unterdrückung geradzahliger Harmonischer.

Frage AF412: Breitband-Gegentaktverstärker erkennen

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AF412: Ein Breitband-Gegentaktverstärker.

Erkennungsmerkmale:

Zwei Transistoren in symmetrischer Anordnung
Breitbandübertrager (keine abgestimmten Schwingkreise)
Eingangs- und Ausgangsübertrager zur Signalaufteilung/-zusammenführung

Frage AF413: Zweistufiger Breitbandverstärker

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AF413: Ein zweistufiger Breitband-HF-Verstärker.

Frage AF414: Transformatorkopplung

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AF414: T₁ passt den Ausgangswiderstand der Emitterschaltung an den Eingang der folgenden Emitterschaltung an.

Frage AF415: Parallelgeschaltete Kondensatoren

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AF415: Der kleine Keramik-C blockt hohe Frequenzen (niedrige ESL), der große Elko glättet niederfrequente Anteile (Bulk).

Warum zwei Kondensatoren? Elektrolytkondensatoren (große Kapazität) haben bei hohen Frequenzen eine hohe parasitäre Induktivität. Ein kleiner Keramik-Kondensator parallel sorgt für gute HF-Entkopplung.

Frage AF416: Widerstand gegen Schwingneigung

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AF416: R parallel zur Trafowicklung verhindert parasitäre Schwingungen.

Der Widerstand bedämpft den Trafo und verhindert, dass er bei bestimmten Frequenzen zu schwingen anfängt.

Frage AF417: LDMOS-PA Transformatoren

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AF417: T₁ transformiert 50 Ω auf die Gate-Impedanz (stark kapazitiv), T₂ passt die niederohmige Drain-Ausgangsimpedanz an 50 Ω an.

Warum Transformation nötig? LDMOS-Transistoren haben am Gate eine stark kapazitive Impedanz und am Drain eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz (oft nur wenige Ohm). Die Transformatoren passen beides an 50 Ω an.

Fragen AF418-AF419: Siebschaltung für Betriebsspannung

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AF418: Spule, C₂ und C₃ bilden einen Tiefpass.

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AF419: Die Schaltung reduziert HF-Anteile auf der Betriebsspannungsleitung.

Ohne diese Filterung würde HF über die Stromversorgung in andere Schaltungsteile oder sogar ins Stromnetz gelangen.

Fragen AF420-AF424: LDMOS-PA Arbeitspunkteinstellung

Der Arbeitspunkt (Ruhestrom, Bias) bestimmt die Betriebsart des Verstärkers. Bei LDMOS-Transistoren wird er über die Gate-Source-Spannung eingestellt.

Fragen AF420-AF421: KW-PA Arbeitspunkteinstellung

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AF420: Wenn R₃ in Richtung 3 verstellt wird, verringert sich der Drainstrom in beiden Transistoren.

Erklärung: R₃ ist ein Spannungsteiler für die Gate-Vorspannung. In Richtung 3 (Masse) sinkt die Gate-Spannung → weniger Drainstrom.

🔍

AF421: Gate-Source-Spannung bei Schleifer an Anschlag 1: 3,5 V

Frage AF422: HF-Drosseln in der PA

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AF422: Die X-Spulen verhindern ein Abfließen der HF in die Spannungsversorgung.

Fragen AF423-AF424: VHF-PA Ruhestrom

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AF423: Ruhestrom erhöhen → R₁ und R₂ in Richtung U_BIAS verstellen.

Merke: Mehr Gate-Spannung = mehr Ruhestrom. In Richtung U_BIAS = höhere Spannung.

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AF424: R₄ in Richtung U_BIAS → Drainstrom in Transistor 1 steigt, Transistor 2 bleibt konstant.

R₄ beeinflusst nur die Vorspannung von Transistor 1, nicht von Transistor 2.

Fragen AF425-AF427: MMIC-Berechnungen

Ein MMIC ist ein kompletter Verstärker auf einem Chip. Er braucht nur einen externen Vorwiderstand R_BIAS zur Arbeitspunkteinstellung.

Die MMIC-Formel: $R_\text{BIAS} = \frac{U_\text{CC} - U_\text{D}}{I_\text{D}}$

$U_\text{CC}$ = Betriebsspannung
$U_\text{D}$ = Spannung am MMIC (typisch 4 V)
$I_\text{D}$ = Arbeitsstrom des MMIC

Frage AF425: Vorwiderstand berechnen

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Gegeben: $U_\text{CC} = 13{,}5\,\text{V}$, $U_\text{D} = 4\,\text{V}$, $I_\text{D} = 10\,\text{mA}$

$R_\text{BIAS} = \frac{U_\text{CC} - U_\text{D}}{I_\text{D}} = \frac{13{,}5\,\text{V} - 4\,\text{V}}{10\,\text{mA}} = \frac{9{,}5\,\text{V}}{0{,}01\,\text{A}} = \mathbf{950\,\Omega}$

Frage AF426: Nächster Normwert

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Gegeben: $U_\text{CC} = 13{,}8\,\text{V}$, $U_\text{D} = 4\,\text{V}$, $I_\text{D} = 15\,\text{mA}$

$R_\text{BIAS} = \frac{13{,}8\,\text{V} - 4\,\text{V}}{15\,\text{mA}} = \frac{9{,}8\,\text{V}}{0{,}015\,\text{A}} = 653\,\Omega$ Nächster Normwert aus der E12-Reihe: 680 Ω

Frage AF427: Verlustleistung im MMIC

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Gegeben: $U_\text{CC} = 9\,\text{V}$, $R_\text{BIAS} = 470\,\Omega$, $U_\text{D} = 4\,\text{V}$ (typisch)

Schritt 1: Strom berechnen

$I_\text{D} = \frac{U_\text{CC} - U_\text{D}}{R_\text{BIAS}} = \frac{9\,\text{V} - 4\,\text{V}}{470\,\Omega} = \frac{5\,\text{V}}{470\,\Omega} = 10{,}6\,\text{mA}$

Schritt 2: Leistung im MMIC berechnen

$P_\text{MMIC} = U_\text{D} \times I_\text{D} = 4\,\text{V} \times 10{,}6\,\text{mA} = \mathbf{42{,}6\,\text{mW}} \approx 43\,\text{mW}$

Frage AF428: Gesamtverstärkung in dB

🔍

Merke: Bei Dezibel-Werten werden die einzelnen Verstärkungen addiert (nicht multipliziert)!

AF428: Gesamtverstärkung = 48 dB

Lies einfach die dB-Werte im Blockschaltbild ab und addiere sie.

Zusammenfassung für die Prüfung

Frage	Thema	Richtige Antwort
AF401	Wirkungsgrad	HF-Ausgang ÷ DC-Eingang
AF402	Oberschwingungen	C-Betrieb = meiste
AF403	Filter-Gehäuse	Metallgehäuse (Abschirmung)
AF404	LC hinter PA	Impedanz + Oberwellen
AF405	Pi-Filter	Impedanz + Oberwellen
AF406	X-Bauteile	Lastimpedanz anpassen
AF407	X-Bauteile	Ausgangs- auf Eingangsimpedanz
AF408	Schaltung	Selektiver HF-Verstärker
AF409	Anzapfung	Eingangsimpedanz anpassen
AF410	C₁ und C₂	Impedanzanpassung
AF411	X	HF-Entkopplung
AF412	Schaltung	Breitband-Gegentaktverstärker
AF413	Schaltung	Zweistufiger Breitband-HF-Verstärker
AF414	T₁	Emitter → Emitter anpassen
AF415	Parallel-C	Klein=hohe f, groß=niedrige f
AF416	R parallel Trafo	Parasitäre Schwingungen verhindern
AF417	T₁ und T₂	50 Ω ↔ niederohmig
AF418	Spule+C₂+C₃	Tiefpass
AF419	Zweck	HF auf Betriebsspannung reduzieren
AF420	R₃ → 3	Drainstrom sinkt
AF421	U_GS Anschlag 1	3,5 V
AF422	X-Spulen	HF nicht in Versorgung
AF423	Ruhestrom ↑	R₁, R₂ → U_BIAS
AF424	R₄ → U_BIAS	I_D1 steigt, I_D2 konstant
AF425	R_BIAS	950 Ω
AF426	R_BIAS Normwert	680 Ω
AF427	P_MMIC	43 mW
AF428	Gesamtverstärkung	48 dB

Wissenskontrolle

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AF401

Wie ist der Wirkungsgrad eines HF-Verstärkers definiert?

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AF402

Welcher Arbeitspunkt der Leistungsverstärkerstufe eines Senders erzeugt grundsätzlich den größten Oberschwingungsanteil?

AF403

Welche Maßnahmen sind für Ausgangsanpassschaltung und Ausgangsfilter eines HF-Verstärkers im C-Betrieb vorzunehmen? Beide müssen...

AF404

Wozu dienen LC-Schaltungen unmittelbar hinter einem HF-Leistungsverstärker? Sie dienen zur...

AF405

Welche Funktion hat das Ausgangs-Pi-Filter eines HF-Senders?

AF406

Welche Funktion haben die mit X gekennzeichneten Bauteile in der folgenden Schaltung? Sie ...

🔍

AF407

Welche Funktion haben die mit X gekennzeichneten Bauteile in der folgenden Schaltung?

🔍

AF408

Worum handelt es sich bei dieser Schaltung?

🔍

AF409

Welchem Zweck dient die Anzapfung an X in der folgenden Schaltung?

🔍

AF410

Welchem Zweck dienen $C_1$ und $C_2$ in der folgenden Schaltung? Sie dienen zur...

🔍

AF411

Welchem Zweck dient X in der folgenden Schaltung?

🔍

AF412

Welche Art von Schaltung wird im folgenden Bild dargestellt? Es handelt sich um einen ...

🔍

AF413

Worum handelt es sich bei dieser Schaltung? Es handelt sich um einen...

🔍

AF414

Wozu dient der Transformator $T_1$ der folgenden Schaltung?

🔍

AF415

Weshalb wurden jeweils $C_1$ und $C_2$, $C_3$ und $C_4$ sowie $C_5$ und $C_6$ parallel geschaltet?

🔍

AF416

Wozu dient der Widerstand $R$ parallel zur Trafowicklung $T_2$?

🔍

AF417

Zu welchem Zweck dienen $T_1$ und $T_2$ in diesem HF-Leistungsverstärker?

🔍

AF418

Welche Funktion trifft für die Spule, $C_2$ und $C_3$ in der Schaltung zu?

🔍

AF419

Zu welchem Zweck dient die Schaltung der Spule, $C_2$ und $C_3$?

🔍

AF420

Die Arbeitspunkteinstellung der LDMOS-Kurzwellen-PA erfolgt mit $R_3$. Wie verändert sich der Drainstrom, wenn $R_3$ in Richtung 3 verstellt wird?

🔍

AF421

Wie groß ist die Gate-Source-Spannung, wenn sich der Schleifer von $R_3$ am Anschlag 1 befindet?

🔍

AF422

Wozu dienen die mit X gekennzeichneten Spulen in der Schaltung?

🔍

AF423

Der Ruhestrom in der dargestellten VHF-LDMOS-PA soll erhöht werden. Welche Einstellungen sind vorzunehmen?

🔍

AF424

Wie verändern sich die Drainströme in den beiden Endstufen-Transistoren, wenn der Schleifer von $R_4$ in Richtung $U_\text{BIAS}$ verstellt wird?

🔍

AF425

Der optimale Arbeitspunkt des dargestellten MMIC ist mit 4 V und 10 mA angegeben. Die Betriebsspannung beträgt 13,5 V. Berechnen Sie den Vorwiderstand ($R_\text{BIAS}$).

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AF426

Berechnen Sie $R_\text{BIAS}$ für die dargestellte MMIC-Schaltung und wählen Sie den nächsten Normwert. $U_\text{CC}$ = 13,8 V; $U_\text{D}$ = 4 V; $I_\text{D}$ = 15 mA

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AF427

Wieviel Wärmeleistung wird im MMIC in Wärme umgesetzt, wenn die Betriebsspannung 9 V beträgt und $R_\text{BIAS}$ einen Wert von 470 Ohm hat?

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AF428

Wie groß ist die Gesamtverstärkung des gesamten Sendezweigs ohne Berücksichtigung möglicher Kabelverluste?

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