Ключевой усилитель мощности

Изобретение относится к радиотехнике для использования в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих вплоть до СВЧ-диапазона. Технический результат: повышение максимальной частоты работы при максимально возможном КПД. Ключевой усилитель мощности (КУМ) содержит активный ключевой элемент (АКЭ), соединенные последовательно первую индуктивность L₁ и второй С₂ конденсатор, которые образуют последовательный формирующий L₁C₂-контур, соединенные параллельно первый конденсатор C₁, вторую индуктивность L₂ и активную нагрузку R, образующие параллельный L₂C₁R-контур, и источник напряжения питания V_ds с дросселем (Др) и блокировочным конденсатором С_бл для развязки ВЧ-цепей по питанию. Вход АКЭ является входом устройства. Выход АКЭ соединен с первой индуктивностью L₁, второй вывод которой, с одной стороны, через второй конденсатор С₂ подключен к выходу КУМ, а с другой стороны, - через дроссель Др присоединен одновременно к первой клемме источника питания V_ds и к первому выводу блокировочного конденсатора С_бл. Вторая клемма источника питания V_ds и второй вывод блокировочного конденсатора С_бл подключены как к общей точке АКЭ, являющейся одновременно общей шиной КУМ, так и к общей точке параллельного L₂C₁R-контура, другая общая точка которого является выходом КУМ. Величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:

,

,

,

где Q_L - добротность нагруженного контура, ω_s - угловая частота входного сигнала, V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала. Использование в усилителе рассчитанных в соответствии с приведенными формулами величин основных элементов в полной мере реализует в усилителе режим его работы в классе «Е», при котором возможно получение КПД, теоретически равного 100%. Такой оптимальный режим класса «Е» в усилителе может быть обеспечен на более высоких частотах по сравнению с известными устройствами. 8 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 усилителя класса «Е» является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f_max вычисляется по формуле: .

Здесь и далее V_ds - напряжение источника питания усилителя, I_max - максимальное значение тока ключа, C_ds - линейная выходная емкость ключа.

Известен усилитель мощности, работающий в режиме класса «Е» с шунтирующей ключ индуктивностью. (См. Kazimierczuk М. Class Е 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 L, последовательный L_rC_f - контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком известного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f_max вычисляется по формуле: .

Здесь и далее I_ds - постоянная составляющая тока усилителя, V_max - максимальное значение напряжения ключа.

Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром. (См. Grebennikov A.V., Jaeger H. Class E with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1, P.1627-1630). Усилитель (см. фиг. 3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный L₀C₀-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком этого устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f_max вычисляется по формуле: .

Здесь выходная мощность Р=I_dsV_ds (при КПД=100%), а I_max=2,647I_ds.

Кроме того, известен усилитель мощности класса «Е» с шунтирующей ключ емкостью. (См. Рис.2.19 б) в книге: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). Усилитель (см. фиг. 4) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую ключ емкость С₀, которая образует с индуктивностью L₀ формирующий контур, блокировочный (разделительный) конденсатор С_бл, фильтрующий параллельный L_КC_К-контур, активную нагрузку R_Н и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ-цепей по питанию.

Недостатком данного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f_max вычисляется по формуле: , которая получена, используя выражение (1.55) и Таблицу 2.1 в указанной выше книге.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является усилитель мощности (См. патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.). Данный усилитель также работает в классе «Е», а его схема является дуальной по отношению к классической схеме усилителя Sokal N.O. и Sokal A.D. Усилитель (см. фиг.5) содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L₁ разделительный конденсатор C_бл, параллельный L₂CR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V_ds с дросселем Др для развязки ВЧ-цепей по питанию.

Недостатком устройства-прототипа является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f_max вычисляется по формуле: .

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в повышении максимальной частоты его работы при максимально возможном КПД.

Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является его общей точкой и общей шиной усилителя в целом, первую индуктивность L₁, которая одним выводом подключена к выходу активного ключевого элемента, а другим через дроссель - к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с общей шиной усилителя, блокировочный конденсатор C_бл и параллельно соединенные вторая индуктивность L₂, первый конденсатор С₁, активная нагрузка R, которые образуют параллельный L₂C₁R-контур, один общий вывод которого является выходом усилителя, а второй - подключен к общей шине усилителя, величина индуктивности L₂ определена формулой: где Q_L - добротность нагруженного контура, ω_S - угловая частота входного сигнала, согласно изобретению между выходом усилителя и общей точкой первой индуктивности L₁ и дросселя введен второй конденсатор С₂, который вместе с первой индуктивностью L₁ образует последовательный формирующий L₁C₂-контур, блокировочный конденсатор C_бл подключен между общей шиной усилителя и первой клеммой источника питания, а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:

,

,

,

,

где V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.6. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательный к ключу L₁C₂-контур, параллельный L₂C₁R-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V_ds с дросселем Др и блокировочным конденсатором C_бл для развязки ВЧ-цепей по питанию.

Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.7. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение V_R(θ) на резисторе R имеет вид: V_R(θ)=a₀V_dssin(θ+φ), где θ=ω_St, ω_S - угловая частота входного сигнала, t - текущее время, а а₀ и φ - определяемые ниже величины. Когда ключ разомкнут (во время 0≤θ<π), ток через ключ I_S(θ)=I_ds-I_C(θ)=0, следовательно, через конденсатор С₂ протекает ток I_C(θ)=I_ds. Поскольку при 0≤θ<π ток через ключ не протекает, напряжение на индуктивности L₁ отсутствует: V_L(θ)=0. Тогда напряжение на ключе V_S(θ)=V_C(θ)+V_R(θ), а напряжение на конденсаторе , где A₀ вычисляется из начального условия: V_S(θ)=0 при θ=0. В результате при 0≤θ<π . Во включенном состоянии (π≤θ<2π) напряжение на ключе V_S(θ)=0, тогда напряжение на индуктивности L₁-V_L(θ)=V_C(θ)+V_R(θ) можно записать в виде: . Здесь вычисляется из начального условия V_L(θ)=V_C(θ) при θ=π. Полученное уравнение может быть представлено в форме дифференциального уравнения второго порядка: с общим решением вида:

,

где , A₁=a₁I_ds, A₂=a₂I_ds, а a₁ и a₂ - некоторые константы, определяемые ниже. Для того чтобы найти неизвестные константы: q, a₀, а₁, a₂ и φ, необходимы пять уравнений:

,

,

,

,

.

Уравнения (2) и (3) являются начальными условиями. Уравнение (3) - условие для постоянной составляющей тока I_ds, выраженного через ряд Фурье. А выражения (5) и (6) являются основными условиями оптимальной работы данного усилителя в классе «Е». Последние два условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты выключения напряжение V_S(θ) и ток, протекающий через ключ, I_S(θ) не могли иметь существенные значения одновременно, а их произведение I_S(θ)V_S(θ) было равно нулю.

В результате численное решение системы из пяти уравнений с пятью неизвестными дает следующие значения:

Если к уравнению (11) добавить условие для постоянной составляющей напряжения V_ds, выраженного через ряд Фурье - , то можно вычислить a₀:

Именно при таких значениях констант (7)-(10), (12) на фиг.7 и построены эпюры напряжений и тока, нормированные на величины V_ds и I_ds. Формулы для основных волновых форм можно переписать в виде:

Полученные уравнения (14), (15) являются дуальными по отношению к волновым формам для усилителя в классе «Е» с параллельным к ключу формирующим контуром. (См. генератор: Козырев В.Б. Однотактный ключевой генератор с фильтрующим контуром. - В кн.: Полупроводниковые приборы в технике электросвязи. Под ред. И.Ф.Николаевского. - М.: Связь, 1971 - Вып. 8. - С.152-166 и аналогичное ему устройство: Grebennikov A.V., Jaeger Н. Class Е with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1. P.1627-1630). Следовательно, предлагаемая схема является дуальной по отношению к обеим схемам.

Если разложить напряжение V_S(θ) в ряд Фурье, то его активная V_R и реактивная V_X амплитуды могут быть найдены из выражений:

Тогда фазовый угол между током основной частоты I_S1(θ) и напряжением V_S1(θ) равен:

Учитывая найденные значения q=1,412, a₀=1,211 и то, что фазовый угол может быть представлен как функция элементов выходной цепи - , можно получить оптимальные величины элементов L₁, C₂, R формирующего L₁C₂R-контура:

Учитывая, что величина индуктивности L₂ определена через добротность Q_L нагруженного фильтрующего L₂C₁-контура в виде: , то величину С₁ можно найти по формуле:

Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (17)-(20), то в усилителе в полной мере будет реализован режим работы класса «Е». Если при этом считать активный ключевой элемент идеальным, то в таком усилителе может быть получен 100%-ый КПД, a P=I_dsV_ds. Вычисляя при помощи уравнений (14) и (15) пиковые значения тока I_max и напряжения V_max:I_max=3,647I_ds V_max=2,647V_ds, из уравнений (17) - (19) может быть определена максимальная частота работы усилителя в таком оптимальном режиме в двух равнозначных видах:

Поскольку выходной импеданс всех транзисторных ключей носит емкостной характер, именно величина выходной емкости ключа C_ds в параллельной (или последовательной) выходной цепи дает основное ограничение на рабочую частоту большинства усилителей класса «Е». Например, для повышения f_max в схемах усилителей класса «Е» Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D. невозможно установить величину выходной емкости, меньшую C_ds. В предлагаемом же устройстве выходная емкость ключа C_ds не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость формирующего контура. Фактически величина С₂ в формуле (21) уменьшается, а f_max дополнительно увеличивается. Выходная емкость ключа С_ds здесь может быть также полностью скомпенсирована и при помощи индуктивности L₁. Таким образом, в предлагаемом усилителе выходная емкость ключа C_ds (в выходной цепи последовательного типа) в работе формирующего контура не участвует, a f_max ею не ограничивается. Здесь частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» f_max может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как для уменьшения величин С₂ и L₁ в формулах (21) и (22) нет никакого практического предела. Уменьшение C₂ и L₁ ограничиваются только возможностью их практической реализуемости. Хотя величина емкости С₂ и может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения f_max предлагаемого усилителя и f_max известных устройств (схем Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D.) выберем ее равной С_ds. Если дополнительно напряжение питания и максимальный ток ключа в предложенном устройстве выбрать такими же, как и V_ds, I_max в схемах Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D., то по числовым коэффициентам в формулах для f_max можно судить об отличии f_max этих устройств. Эти коэффициенты следующие: и - для известных устройств и - для предлагаемого усилителя. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С₂ выбрана равной С_ds, максимальная частота предлагаемого усилителя выше в 1,45 и 2,47 раза по сравнению с f_max рассмотренных аналогов (схемы Козырева В.Б. и схемы Sokal N.O. и Sokal A.D.). Очевидно, что, если величину C₂ выбрать меньшей С_ds, то отличие f_max этих устройств будет еще больше.

Сравним f_max предлагаемого усилителя и f_max устройства (См. книгу: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). В данном аналоге также невозможно установить величину выходной емкости С₀ (См. фиг.4), меньшую С_ds. Вместе с тем, в предлагаемом устройстве выходная емкость ключа С_ds не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость С₂ формирующего контура. Это значит, что частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» f_max здесь может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как величины С₂ и L₁ в формулах (21) и (22) могут быть уменьшены до тех значений, которые в принципе могут быть реализованы на практике. Хотя и величина емкости C₂ может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения максимальных частот предлагаемого усилителя и схемы Артыма А.Д. выберем ее равной С_ds. Если, кроме этого, в обоих усилителях V_ds и I_max выбрать одинаковыми, то по числовым коэффициентам ( и ) в формулах для f_max можно также судить об отличии максимальных частот этих устройств. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С₂ выбрана равной С_ds, f_max предлагаемого усилителя выше в 1,33 раза. На практике же величина С₂ может быть выбрана меньшей С_ds, тогда отличие f_max этих устройств будет еще больше.

Для того чтобы сравнить f_max предлагаемого усилителя с максимальными частотами других известных устройств (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 и патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.), используем равнозначную (21) формулу (22) для f_mах. Выберем величины L (См. фиг.2) и L₁ (См. фиг.5 и 6) одинаковыми и одновременно сколь угодно малыми, так как они все в равной степени ограничены снизу. Если дополнительно ток потребления и максимальное напряжение на ключе в предложенном устройстве выбрать такими же, как и I_ds, V_max в прототипе и усилителе Kazimierczuk M., то по числовым коэффициентам ( и ) в формулах для f_max также можно судить об отличии f_max этих устройств. Следовательно, по сравнению с максимальными частотами рассмотренного аналога и прототипа f_max предлагаемого усилителя здесь выше в 1,71 раза.

Таким образом, оптимальный режим класса «E» в предлагаемом усилителе по сравнению с известными устройствами может быть обеспечен на более высоких частотах.

Пример конкретного выполнения устройства.

Усилитель мощности выполнен на LDMOSFET транзисторе типа MRF282S фирмы Motorola (сейчас Freescale Semiconductor). Усилитель работает на частоте 920 МГц. Если выбрать V_ds=20,0 В, Р=10 Вт и Q_L=5, то расчетные значения элементов усилителя следующие: L₁=3,5 нГн, C₂=4.3 пФ, С₁=1,2 пФ, L₂=25,4 нГн, R=29.3 Ома. Индуктивность L₁ и емкость С₁ пересчитывались в отрезки микрополосковых линий передач, реализованных на подложке из Аl₂О₃-керамики с диэлектрической проницаемостью 9.8. Пересчет производился при помощи известных формул: , . Здесь f=ω_S/2π, , и , - электрические длины (в градусах) и волновые сопротивления микрополосковых линий передач, которые соответствуют индуктивности L₁ емкости С₁. Если для пересчета L₁ и C₁ выбрать =50 Омам и =40 Омам, то =23.2° и =15.9°. Отсюда нетрудно найти длины микрополосков и , где , - длины волн в соответствующих микрополосковых линиях передач. Индуктивность L₂=25,4 нГн, емкость С₂=4,3 пФ, C_бл=1000 пФ и дроссель Др с индуктивностью 250 нГн в макете усилителя удобно выполнить в виде сосредоточенных элементов. Следует отметить, что здесь величина С₂ выбрана большей 4,3 пФ (С₂=10 пФ) для того, чтобы скомпенсировать выходную емкость ключа C_ds (в выходной цепи последовательного типа). Выходная емкость ключа C_ds (в цепи последовательного типа) составляет 10-12 пФ при той настройке входной цепи, которая использована в предлагаемом макете. Для оценки C_ds здесь использована методика, предложенная в работе Баранова А.В. «Дуальные СВЧ-усилители мощности в классе «Е»». - Радиотехника, 2007, №3, с.71-78. Все элементы были реализованы в макете усилителя (См. фиг.8). Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (0,3-0.6) 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 P_вх=0,25 Вт, напряжении питания V_ds=20,0 В и токе потребления I_ds=0,51 А получено максимальное значение КПД по добавленной мощности, КПД=71.1%. Соответственно стоковый КПД данного усилителя получается несколько выше и равняется 73.5%. При этом уровень выходной мощности Р составил 7,5 Вт.

Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях повышенной мощности СВЧ-диапазона. А сравнение числовых коэффициентов в формулах для максимальной частоты работы предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что f_max в предложенном усилителе в 1.71 раза выше самых высокочастотных аналогов и прототипа, в частности.

Ключевой усилитель мощности, содержащий активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является его общей точкой и общей шиной усилителя в целом, первую индуктивность L₁, которая одним выводом подключена к выходу активного ключевого элемента, а другим через дроссель - к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с общей шиной усилителя, блокировочный конденсатор С_бл и параллельно соединенные вторая индуктивность L₂, первый конденсатор C₁, активная нагрузка R, которые образуют параллельный L₂C₁R - контур, один общий вывод которого является выходом усилителя, а второй подключен к общей шине усилителя, величина индуктивности L₂ определена формулой
,
где Q_L - добротность нагруженного контура;
ω_S - угловая частота входного сигнала,
отличающийся тем, что между выходом усилителя и общей точкой первой индуктивности L₁ и дросселя введен второй конденсатор С₂, который вместе с первой индуктивностью L₁ образует последовательный формирующий L₁C₂ - контур, блокировочный конденсатор С_бл подключен между общей шиной усилителя и первой клеммой источника питания, а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:

,
,
,
где V_ds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.