Усилители мощности высоких частот

R5AM, Александр Ящук, Москва, 2014 г.

На главную

Iulian Rosu, YO3DAC / VA3IUL, http://www.qsl.net/va3iul
Перевод: Александр Ящук, R5AM

     Усилители мощности (УМ) высоких частот (ВЧ) используются в самых разнообразных приложениях, включая беспроводную связь, телевизионное вещание, радиолокацию и радиочастотный нагрев.

     В качестве основных способов усиления мощности ВЧ могут использоваться классы усиления A, B, C, D, E, и F для частот в диапазоне от ОНЧ (очень низкие частоты) до микроволновых частот.

     ВЧ выходная мощность может быть в пределах от нескольких милливатт до мегаватт, в зависимости от задач. Внедрение твердотельных ВЧ устройств позволяет использовать более низкие напряжения, более высокие токи, а также сравнительно низкое сопротивление нагрузок.

     Наиболее важные параметры, которые характеризуют ВЧ усилитель мощности:

  1. Выходная мощность
  2. Коэффициент усиления
  3. Линейность
  4. Устойчивость
  5. Напряжение питания постоянного тока
  6. КПД
  7. Прочность

     Выбором точек смещения ВЧ усилителя мощности можно определить уровень производительности, который в конечном счете возможен для данного УМ. Путём сравнения различных смещений УМ, можно оценить компромис между выходной мощностью, КПД, линейностью или другими параметрами для различных применений.


Классы усиления

Класс А

     Этот класс усиления получается когда смещение выбрано так, что выходной ток протекает всё время и уровень входного сигнала сохраняется достаточно малым, чтобы избежать ввода транзистора в режим отсечки. Иными словами угол открытого состояния транзистора составляет 360 градусов и транзистор открыт весь период входного сигнала. Это делает класс А наиболее линейным из всех типов усиления, где линейность просто означает насколько точно выходной сигнал усилителя соответствует входному сигналу.

Класс А. Графики.

Класс B

     Это усилитель, в котором угол открытого состояния транзистора приблизительно равен 180 градусов.

КПД класс В

     Типичной схемой усилителя класса B является двухтактный усилитель. В этой схеме один транзистор открыт в течение положительных полупериодов входного сигнала, а второй - в течение отрицательных. Таким образом, весь входной сигнал повторяется выходным.

Двухтактна и однотактная схемы класса В

     В схеме класса B можно использовать и один транзистор. Единственным требованием в этом случае является размещение резонансного контура в выходной цепи транзистора для того, чтобы воспроизвести вторую половину входного сигнала.

Класс В. Графики.
Класс АB

     Этот усилитель является компромиссом между классом А и классом B с точки зрения КПД и линейности.

     Транзистор обычно смещен до такой точки покоя, которая находится где-то в район между точкой отсечки и точкой смещения класса А, от 10 до 15 процентов от ICmax (максимального тока коллектора). В этом случае транзистор будет открыт более половины периода входного сигнала, но менее всего перида.

     Экспериментально было установлено, что класс AB часто предлагает более широкий динамический диапазон, чем позволяют класс А или класс B. Это, в отличие от класса А, обусловлено уменьшением усиления в классе АВ и другими дополнительными причинами. Эффекты насыщения вызваны в первую очередь отсечением ВЧ напряжения на шинах питания. Класс АВ. Графики.


Класс C

     Это такой усилитель, где угол открытого состояния транзистора значительно меньше 180°.

     Одна из основных проблем с использованием класса С в твердотельных применениях является большая отрицательная амплитуда входного напряжения, которая совпадает с пиком выходного напряжения коллектора/стока. По этой причине настоящий режим класса С не часто используют в твердотельном исполнении в верхней части ВЧ и СВЧ частот.

     Для того чтобы выжить, работая в классе C, транзистор должен иметь напряжение пробоя коллектора по крайней мере в три раза выше, чем напряжение своего источника питания постоянного тока. Причина - усилители класса C имеют низкую среднюю мощность (так как транзистор открыт только в течение коротких, пульсирующих периодов), но нуждаются в очень высоком уровне входного сигнала. Таким образом, недостатком основного режима класса С для транзистора является низкое значение собственного обратного напряжения пробоя активного элемента, которое к сожалению усугубляется отрицательным напряжением входного ВЧ сигнала как раз тогда, когда напряжение коллектора транзистора достигает своего положительного пика. Это особенно проблематично и опасно, если нагрузка отклоняется от расчётных значений, как это происходит, если система работает на поврежденную или отсутствующую антенну или фидер.


Класс D

     Усилитель класса D определяется как ключевая схема, в результате генерируются наполовину синусоидальная волна тока и прямоугольное напряжение. УМ класс D использует два или более транзисторов как переключатели для генерирования стокового напряжения прямоугольной формы. Последовательно настроенный выходной фильтр пропускает только компоненту основной частоты к нагрузке.
Класс D. Графики и схема. Усилители класса D страдают от ряда проблем, которые делают их трудно реализуемыми, особенно на высоких частотах. Во-первых, доступность подходящих устройств для верхнего по схеме ключа ограничена. Во-вторых, паразитные реактивности устройства, такие как ёмкость сток-исток и индуктивности выводов приводят к потерям в каждом периоде. Если УМ реализуем, (это характерно для низких радиочастот и аудиочастот), то КПД усилителя класса D теоретически может достигать 100%, так как нет моментов в течение периода, где напряжение и ток перекрываются (ток течёт только через транзистор, который открыт).


Класс E

     Класс E использует единственный транзистор, который работает как ключ. Форма напряжение на коллекторе/стоке является результатом суммы постоянного и ВЧ токов зарядки шунтирующей сток емкости Cp, которая параллельна внутренней емкости транзисторным cо. В оптимальном классе Е напряжение стока падает до нуля и имеет нулевой наклон в тот же момент, когда включается транзистор.

     Результатом является идеальный КПД в 100%, устранения потерь, связанных с зарядкой ёмкости стока в классе D, снижения потерь ключевания и хорошая переносимость разброса параметров компонентов. Класс E. Графики и схема.


Класс F

     Класс F повышает как КПД, так и выходной уровень с помощью гармонических резонаторов на выходе схемы, которая формирует выходной сигнал. Форма напряжения включает одну или несколько нечётных гармоники и приближается к прямоугольной форме, в то время как ток включает чётные гармоники и похож на половину синусоиды. Альтернативно ("обратный класс F") напряжение можно приблизить к половине синусоиды, а ток к прямоугольной форме. Класс F. Графики и схема.

Усилитель класса F может быть построен с помощью четверьволновой линии, как показано ниже.

Класс F на 1/4-волновой линии.

Определение классов усиления
Классическое определение классов УМ
Определение классов усиления Классическое определение классов усилителей мощности



Линейность усилителей мощности

Интермодуляционный составляющие

При относительно большой амплитуде сигнала, на продукты пятого порядка (которые будут зависеть от пятой степени) начнут влиять IM3 составляющие. Как результат больше не будет отношения амплитуд 3:1 .

Зависимости IM составляющих
Зависимость IM(n) продуктов от входного уровня и Прирост гармоник от угла открытого состояния.

Точки пересечения уровней входной и выходной мощностей
составляющих второго и третьего порядков
Точки пересечения уровней входной и выходной мощностей составляющих второго и третьего порядков.
Точка компрессии

Снижение АМ-АР в конструкции УМ облегчило бы проблему IM асимметрии.



Эффект Памяти

Эффект Памяти: электрический и тепловой.


Согласование входа/выхода и линия нагрузки

Двойная согласующая L-цепь.

Диаграмма Смита по согласованию для максимального усиления и мощности.
Диаграмма Смита по согласованию для максимального усиления и мощности.

Нагрузочные линии для различных слассов усилителей.
Нагрузочные линии для различных слассов усилителей.




Оптимальное сопротивление нагрузки

Оптимальное сопротивление нагрузки.




Схемотехника цепей смещения усилителей мощности





Вопросы проектирования усилителей мощности





Высокочастотные УМ для широкополосной модуляции





Ссылки:

    1. RF Circuit Design - C. Bowick
    2. RF Power Amplifiers for Wireless Communications - S. Cripps
    3. Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design - S. Cripps
    4. Distortion in RF Power Amplifiers - J. Vuolevi
    5. Circuit Design for RF Transceivers - D. Leenaerts, J. Tang, C. Vaucher
    6. Radio Frequency Transistors - N. Dye, H. Granberg
    7. High Frequency Current Mode Class-D Amplifiers - A. L. Long
    8. Complete Wireless Design - C. Sayre
    9. Feedforward linear power amplifiers - N. Pothecary
    10. Radio Frequency Integrated Circuit Design - Rogers, Plett
    11. RF CMOS Power Amplifiers - Theory design and implementation - Hella, Ismail
    12. Microwave Journal Magazine; 1996 - 2005
    13. Portable Design Magazine; 2002 - 2005
    14. High Frequency Electronics Magazine; 2002 - 2007





На главную
К началу страницы

Яндекс.Метрика