Ключевой усилитель мощности

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ-диапазона. Ключевой усилитель мощности содержит активный ключевой элемент (АКЭ), последовательную индуктивность (L₁), разделительный конденсатор (С_бл), параллельный L₂CR-контур с активной нагрузкой (R) и источник напряжения питания (V_ds) с дросселем (Др) для развязки ВЧ цепей по питанию. Вход АКЭ является входом устройства. Выход - соединен с последовательной L₁, которая, с одной стороны, через Др подключена к V_ds, с другой стороны, - через С_бл, подключена к общей точке параллельного L₂CR-контура, которая, в свою очередь, является выходом устройства. Общая точка АКЭ соединена с общей шиной V_ds и второй общей точкой L₂CR-контура. Величины основных элементов устройства определяются из следующих соотношений:

R=((1+π²/4)/2)V_ds ²/P,

L₁=(2/π(1+π²/4))R/ω_s,

C=((π²/4-1)π/4+1Q_L)/(Rω_s).

L₂=Q_LR/ω_S

где ω_S - угловая частота входного сигнала, Q_L - добротность нагруженного контура, V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала, в усилителе реализуется режим работы в классе «Б», при котором возможно получение КПД, теоретически равного 100%. При таком максимально возможном КПД предлагаемое устройство обеспечивает повышение уровня выходной мощности. 6 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ-диапазона.

Известен усилитель мощности, работающий в ключевом режиме, который назван классом «Е». (См. Sokal N.O., Sokal A.D. Class E - a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol. SC-10, No. 3. June 1975, P.168-176).). Такой режим работы обеспечивает усилителю КПД, теоретически равный 100%. Усилитель (см. фиг.1) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его конденсатор, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ цепей по питанию.

Недостатком данного устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для этого усилителя при максимально возможном КПД уровень выходной мощности (Р) вычисляется по формуле: Р=0.577(V_ds-V_ds(sat))²/R. Здесь и далее V_ds напряжение источника питания, V_ds(sat) - напряжение насыщения ключа, R - сопротивление нагрузки.

Известен усилитель мощности, работающий в режиме класса «Е» с шунтирующей ключ индуктивностью. (См. Kazimierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol. SC-16, No. 1. February 1981, P.2-7). Усилитель (см. фиг.2) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую его индуктивность, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком известного устройства является низкий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: Р=0.05844V_ds ²/R.

Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром. (См. Grebennikov A. High efficiency class В, Е and F power amplifiers: the magic of parallel circuits // Microwave Journal, December 2002, P.20-34). Усилитель (см. фиг.3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком этого устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: Р=1.365V_ds ²/R.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является усилитель мощности (См. Артым А.Д. Ключевой режим работы генераторов высокой частоты // Радиотехника, 1969, Т.24, №6, С.58-64). Данный усилитель работает в ключевом режиме, сходном с режимом класса «Е», если параметры τ₀=π и q=ω_к/ω_к=2.176. Здесь τ₀ - пауза между импульсами тока, a ω_s и ω_к угловые частоты входного сигнала и LC-контура на выходе ключа. Усилитель (см. фиг.4) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его конденсатор С, разделительный конденсатор С_бл, последовательную индуктивность L, параллельный фильтрующий L_fC_f - контур (ω_s≅(L_fC_f)^-1/2), активную нагрузку R и источник напряжения питания Е с дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.

Недостатком устройства-прототипа является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: Р=0.9V_ds ²/R.

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в увеличении уровня выходной мощности при максимально возможном КПД.

Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем первую индуктивность L₁ и активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является их общей точкой, к которой подключены общая шина источника питания, другая клемма которого подключена к дросселю, соединенному последовательно с разделительным конденсатором, а также первый общий вывод параллельного соединения второй индуктивности L₂, конденсатора С и активной нагрузки R, образующих L₂CR-контур, другой общий вывод которого является выходом усилителя, первая индуктивность подключается между выходом активного ключевого элемента и точкой соединения дросселя с разделительным конденсатором, другой вывод последнего соединяется с выходом усилителя, а величины основных элементов определяются из следующих соотношений:

R=((1+π²/4)/2)V_ds ²/P,

L₁=(2/π(1+π²/4))R/ω_s,

C=((π²/4-1)π/4+1/Q_L)/(Rω_s),

L₂=Q_LR/ω_s,

где ω_s - угловая частота входного сигнала, Q_L - добротность нагруженного контура, V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.5. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L₁, разделительный конденсатор С_бл, параллельный L₂CR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V_ds с дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.

Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.6. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение (V_R(θ)) на резисторе R имеет вид - V_R(θ)=-V_dsasin(θ+φ). Здесь θ=ω_st, a и φ - некоторые постоянные величины, определяемые ниже. Во включенном состоянии (0<θ≤π) через ключ протекает ток, равный току через L₁ - I_C(θ)=(1/L₁)(V_ds+V_R(θ))dθ=(V_ds/ω_sL₁) (θ+a(cos(θ+φ)-cosφ)). Во включенном состоянии напряжение на ключе равно нулю, то есть при 0<θ≤π V_с(θ)=0. В выключенном состоянии (при π<θ≤2π) ток через ключ не протекает I_C(θ)=0. Поскольку ток через L₁ при π<θ≤2π также не протекает, напряжение на L₁ равно нулю. Тогда при π<θ≤2π напряжение на ключе V_c(θ)=V_ds+V_R(θ)=V_ds(1-a sin(θ+φ)). В рассматриваемом случае основными условиями для режима класса «Е» являются следующие условия: I_C(θ)=0 при θ=π и dI_C(θ)/dθ=0 при θ=π. Такие условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты переключения напряжение V_C(θ) и ток, протекающий через ключ, I_C(θ) не могли иметь существенные значения одновременно, а их произведение V_C(θ)I_C(θ) было равно нулю. Эти два условия однозначно определяют а и φ. Здесь a=(1+π²/4)^1/2≅1.862, а φ=-arctg(2/π)≅-32.48°. Именно при таких значениях а и φ, а также при V_ds=16.8 В, Р=8 Вт и построены эпюры напряжений на Фиг.6. Если разложить импульсы тока I_C(θ) в ряд Фурье и приравнять полученные коэффициенты разложения к соответствующим коэффициентам -sin(θ+φ) и -cos(θ+φ) составляющих на выходе, то можно получить уравнения для L₁ и C₁:

Здесь C₁ - емкость, которую должен обеспечить L₂C-контур, нагруженный на активную нагрузку R. Определив L₂ через добротность нагруженного контура Q_L:

нетрудно получить выражение для С:

Подставляя полученную амплитуду выходного колебания (V_dsα) в выражение для выходной мощности Р, можно получить R:

Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (1)-(5), то в усилителе в полной мере будет реализован режим работы класса «Е». Если при этом считать, что активный ключевой элемент - идеальный ключ, то в таком усилителе может быть получен КПД, теоретически равный 100%. А уровень выходной мощности при максимально возможном КПД будет вычисляться из формулы (5) - Р=1.734V_ds ²/R. Если V_ds и R в предложенном устройстве выбрать одинаковыми с V_ds и R для всех аналогов и прототипа, то значения числовых коэффициентов в формулах для Р будут целиком определять в каждом случае уровни выходной мощности при максимально возможном КПД. То есть в аналогах - это коэффициенты 0.577, 0.05844, 1.365, в прототипе - это 0.9, а в нашем случае - это 1.734. Следовательно, по сравнению с известными усилителями, работающими в режиме класса «Е», выходная мощность предложенного усилителя, как минимум, в 1.27 раза выше, а по сравнению с прототипом она выше в 1.92 раза. Кроме того, по сравнению с первым и вторым аналогом в предложенном усилителе можно ближе подойти к теоретическому пределу по КПД, так как в отличие от этих аналогов здесь нет никаких ограничений на выбор добротности контура. Предложенная схема усилителя может работать при более низких значениях добротности контура, где КПД, как известно, имеет более высокую величину. Вместе с тем, в первом аналоге Q_L принципиально не может быть меньше 2.08, а во втором аналоге добротность не может быть меньше 4.29. Например, если в первом аналоге выбрать предельное значение Q_L=2.081, то по сравнению с ним в предложенном усилителе при типовом значении Q_L=1 максимально возможный КПД наблюдается выше на 2-3% как при проведении машинного моделирования, так и при проведении экспериментов.

Пример конкретного выполнения устройства. Усилитель мощности выполнен на LDMOSFET транзисторе типа MRF282S фирмы Motorola (сейчас Freescale Semiconductor). Усилитель работает на частоте 925 МГц. Если выбрать V_ds=16.8 В, Р=8 Вт и Q_L=1, то расчетные значения элементов усилителя следующие: L₁=1.94 нГн, С=6.05 пФ, L₂=10.54 нГн, R=61.2 Ома. Индуктивность L₁=1.94 нГн реализована на практике в виде индуктивности вывода транзистора. Длина вывода транзистора была выбрана 2-2.5 мм. Емкость С=6.05 пФ и индуктивность L₂=10.54 нГн пересчитывались в отрезки микрополосковых линий передач, реализованных на подложке из Al₂O₃-керамики с диэлектрической проницаемостью 9.8. Пересчет производился при помощи известных формул: L₂=(θ_L°Z_L0)/(360°f), С=θ_C°/(Z_C0360°f), где f=ω_s/2π, θ° - электрическая длина в градусах, Z_L0 и Z_C0 - волновые сопротивления соответствующих линий передач. Если для пересчета L₂ выбрать Z_L0=40 Омам, то θ_L°=87.75°. Отсюда нетрудно найти длину микрополоска l_L=λθ_L°/360°=29.7 мм, где λ - длина волны в микрополосковой линии. Если для пересчета С выбрать Z_C0=35 Омам, то θ_C°=70.5°, а длина микрополоска l_C=23.3 мм. Данные отрезки были реализованы на практике. Микрополосковая линия эквивалентная индуктивности L₂ была дополнительно использована для подачи напряжения питания к стоку транзисторного ключа. Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (1-1.5) В меньше, чем напряжение отпирания транзистора. Кроме того, уровень входного сигнала был выбран таким, чтобы транзистор работал в режиме насыщения. Эти условия необходимы для того, чтобы транзистор ближе соответствовал идеальному ключу.

Были измерены основные характеристики разработанного усилителя. При входной мощности Рвх=0.3 Вт, V_ds=16.8 В и токе потребления I_ds=0.6 А получено максимальное значение КПД по добавленной мощности, КПД=74.6%. Соответственно стоковый КПД данного усилителя получается несколько выше и равняется 77.6%. При этом уровень выходной мощности составил 7.82 Вт.

Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях большой мощности СВЧ-диапазона. А сравнение числовых коэффициентов в формулах выходной мощности для предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что уровень выходной мощности в предложенном усилителе, как минимум, в 1.27 раза выше.

Ключевой усилитель мощности, содержащий первую индуктивность L₁ и активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является их общей точкой, к которой подключены общая шина источника питания, другая клемма которого подключена к дросселю, соединенному последовательно с разделительным конденсатором, а также первый общий вывод параллельного соединения второй индуктивности L₂, конденсатора С и активной нагрузки R, образующих L₂CR-контур, другой общий вывод которого является выходом усилителя, отличающийся тем, что первая индуктивность подключается между выходом активного ключевого элемента и точкой соединения дросселя с разделительным конденсатором, другой вывод последнего соединяется с выходом усилителя, а величины основных элементов определяются из следующих соотношений

R=((1+π²/4)/2)V_ds ²/P,

L₁=(2/π(1+π²/4))R/ω_s,

C=((π²/4-1)π/4+1/Q_L)/(Rω_s).

L₂=Q_LR/ω_S,

где ω_S - угловая частота входного сигнала, Q_L - добротность нагруженного контура, V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.