95137

Усилитель на полевом транзисторе

Контрольная

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Поскольку промышленный КПД передатчика определяется в основном КПД его оконечных устройств то проблема во многом сводится к поиску методов энергетического совершенствования оконечных усилителей мощности УМ передатчиков где в свою очередь основная часть потерь как правило связана с рассеянием мощности в электронных приборах ЭП.

Русский

2015-09-20

262.5 KB

11 чел.

1. Введение.

Среди принципов, которыми необходимо руководствоваться при создании новых передатчиков, не последнее место занимает применение как на структурном, так и на схемотехническом уровнях современных технических решений, позволяющих улучшить энергетическую эффективность передатчика при сохранении приемлемых качественных показателей. Повышение КПД передатчика позволяет не только снизить расходы на электроэнергию (которые составляют около 70% всех затрат на его эксплуатацию), но и уменьшить размеры, массу и сложность устройства за счет упрощения системы охлаждения, а также улучшить показатели надежности. Поскольку промышленный КПД передатчика определяется в основном КПД его оконечных устройств, то проблема во многом сводится к поиску методов энергетического совершенствования оконечных усилителей мощности (УМ) передатчиков, где, в свою очередь, основная часть потерь, как правило, связана с рассеянием мощности в электронных приборах (ЭП).

Радикальным способом решения задачи является применение в УМ ключевых режимов работы, когда ЭП практически находится попеременно только в двух состояниях -либо полностью открыт, либо закрыт. В идеальном случае, когда сопротивление ЭП в открытом состоянии стремится к нулю, а в закрытом - к бесконечности, и отсутствуют паразитные реактивности, мощность в нем вообще не рассеивается, поскольку в любой момент времени либо напряжение на ЭП, либо ток через него равны нулю. Таким образом, перевод УМ в ключевой режим позволяет повысить его КПД, а в отдельных случаях - и выходную мощность, так как последняя может быть ограничена в первую очередь именно рассеянием мощности в ЭП.

Ключевые УМ могут работать с колебаниями, имеющими постоянную амплитуду, например с частотной (ЧМ) или с широтно-импульсной (ШИМ) модуляцией, а также они пригодны для осуществления амплитудной модуляции на выходном электроде ЭП. Колебания с изменяющейся во времени амплитудой  в ключевых УМ усиливать невозможно, так как ЭП работает в режиме двустороннего ограничения по входу. Поэтому, чтобы использовать ключевые УМ для повышения энергетической эффективности передатчиков подобных сигналов, применяют особые архитектурные решения, в которых формируются некоторые колебания с постоянной амплитудой, усиливаемые с высоким КПД в ключевых УМ, а затем из них с помощью операции перемножения (амплитудной модуляции), суммирования или фильтрации (ре)конструируется искомое излучаемое колебание. К такому техническому решению относится метод раздельного усиления (Кана).

При всей теоретической выгоде использования ключевых УМ до недавнего времени они не находили широкого применения в радиовещательных передатчиках, причиной чему было главным образом несовершенство ЭП. Электровакуумные триоды и тетроды оказались непригодными для работы в ключевом режиме в силу их принципиально высокого сопротивления в открытом состоянии, тяжелого теплового режима по управляющей (в триодах) или экранирующей (в тетродах) сетке, а также относительно больших межэлектродных емкостей, не позволяющих осуществлять ключевое усиление на частотах выше единиц МГц. Твердотельная же технология в первые десятилетия своего развития не позволяла создать одновременно малоинерционные и мощные приборы, на которых практически выгодно было бы строить ключевые УМ вещательных передатчиков. Кроме того, полевые транзисторы (ПТ) с управляющим переходом и, впоследствии, МДП-транзисторы (МДПТ) с длинным каналом имели слишком большое сопротивление в открытом состоянии, что делало их перевод в ключевой режим энергетически малоэффективным.

Сегодня указанные недостатки технологии транзисторов преодолены в такой степени, что позволяют строить ключевые каскады мощностью от единиц кВт в диапазонах НЧ и СЧ до сотен мВт в диапазоне СВЧ. При этом наиболее предпочтительными приборами являются МДПТ с коротким каналом, которые, хотя несколько уступают биполярным транзисторам (БТ) по частотным свойствам в силу больших межэлектродных емкостей, но зато имеют гораздо более высокое входное сопротивление и допускают работу при более существенном рассогласовании нагрузки УМ. В диапазонах УВЧ и СВЧ ключевые УМ строятся также на МЭП-транзисторах. Принимая во внимание указанные обстоятельства, в настоящей работе будем рассматривать УМ на МДПТ, хотя, учитывая известную аналогию между ними и БТ, большинство полученных результатов может быть экстраполировано и на УМ, построенные на основе БТ.

Совершенствование технологии транзисторов привело в последние 10-15 лет к возрастанию интереса к ключевым УМ, к поиску возможно более совершенных схемотехнических решений в этой области, к лавинообразному возрастанию числа соответствующих научных публикаций. Родоначальниками отечественной школы специалистов по ключевым УМ были И. А. Попов и А. Д. Артым. Среди современных ученых, внесших наиболее значительный вклад в теорию ключевых УМ, следует отметить таких специалистов как Ф. Рааб, Н. Сокал, М. Казимирчук (США), Ш. Мори (Япония).

2. Характеристики

Определение КПД для УМ

Рис. 1. Усилитель на полевом транзисторе

Для УМ ВЧ и СВЧ диапазонов основной измеряемой величиной на выходе является высокочастотная мощность. Отношение высокочастотной  мощности  на  выходе усилителя (мощность в нагрузке) к высокочастотной мощности на его входе называется коэффициентом усиления по мощности и может выражаться в разах или дБ (GdB = 10lgG).

 

КПД (энергетическая эффективность, эффективность) - один из важнейших параметров усилителей мощности, поэтому существуют различные способы его определения, отражающие те или иные стороны процесса преобразования энергии в УМ.

Электронный КПД. Определяется как отношение полученной мощности электромагнитного колебания (ВЧ сигнала) к мощности, затраченной источниками питания постоянного тока:

где величина Р0  - мощность постоянного тока, поступающая в транзистор от источника питания, определяемая как:

 КПД по добавленной мощности (power-added efficiency - PAE) [1]

 Полный КПД.

Средний КПД. Мгновенный КПД - это КПД при конкретно заданном уровне выходного сигнала. Для большинства УМ мгновенный КПД выше при максимальной выходной мощности и падает при снижении выходной мощности. Если усиливаемый сигнал имеет переменную амплитуду, пользуются понятием средний КПД, который определяется как отношение средней выходной мощности к средней мощности, потребляемой от источника питания

3. Методы повышения энергетической эффективности  усилителей.

На сегодняшний день известен целый ряд методов повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности [2], на сегодняшний день наиболее перспективными являются:

3.1. Метод дефазирования.

Рис. 2. Структурная схема (слева) и векторная диаграмма сигналов (справа) усилителя мощности построенного по методу дефазирования.

Метод, предложенный М. Ширексом в 1931 году, основан на возможности представления любого сигнала с переменной амплитудой двумя сигналами с одинаковыми неизменными амплитудами и с разными переменными фазами – двумя сигналами с нелинейной фазовой модуляцией. Формирование этих ФМ сигналов осуществляется в специальном устройстве – Расщепителе. Два ФМ сигнала, усиливаются до нужной мощности в двух идентичных ВЧ трактах работающих в высокоэффективных режимах – граничном или ключевом, что позволяет получить высокий КПД. Восстановление усиливаемого сигнала осуществляется в сумматоре, построение которого является достаточно сложной задачей, поскольку фазовые сдвиги между сигналами S1 и S2 за период изменения огибающей меняются в пределах от 0 до 180 градусов. Не менее важной проблемой являются и специфические нелинейные искажения, возникающие вследствие неидентичности двух усилительных трактов, как по коэффициенту усиления, так и по фазе, что требует применения сложных методов автокомпенсации и линеаризации. В зарубежной литературе построение усилителей и передатчиков по методу дефазирования получило название LINC – линейное усиление на нелинейных элементах.

3.2. Метод Л. Кана (метод раздельного усиления огибающей и фазомодулированного заполнения)

Рис. 3. Упрощенная схема Кан EER усилителя

Этот метод разработан Л.Каном в конце 1950-х гг. Метод Л. Кана подразумевает раздельное усиление огибающей и фазомодулированного радиочастотного заполнения с последующей высокоэффективной амплитудной модуляцией в оконечном каскаде передатчика, где восстанавливается усиливаемый сигнал (рис. 3). Разделение усиливаемого сигнала на огибающую и фазомодулированное заполнение реализуется при помощи амплитудного детектора и амплитудного ограничителя. Имеются цифровые варианты реализации построения тракта усиления по схеме Кана. В радиочастотном тракте усиления мощности передатчика усиливается фазомодулированное заполнение (имеющее постоянную огибающую) с высоким кпд. В оконечном каскаде должна осуществляться высокоэффективная амплитудная модуляция для обеспечения высокого коэффициента полезного действия. Для этого, в частности, используются модуляционные усилители (в данном случае усилителя огибающей УО) работающие в ключевом режиме.

В случае аналогового выделения сигналов, формируются сигналы огибающей А(t) и фазы φ(t) усиливаемого сигнала. Сигналом φ(t)  осуществляется фазовая модуляция несущего колебания на рабочей частоте передатчика, а сигнал А(t) подвергается преобразованию в усилителе огибающей, поступающей в мощные усилители огибающей для осуществления амплитудной модуляции (т.е. восстановления переменной огибающей сигнала) в оконечном каскаде передатчика. Нельзя не отметить и присущие синтетическому методу Л. Кана недостатки. Главные из них связаны с несинхронностью прихода на оконечный каскад передатчика (где осуществляется восстановление переменной огибающей) огибающей и фазомодулированного заполнения, что связано, прежде всего, с инерционностью ФНЧ в тракте огибающей, а также с не идеальностью детектора огибающей. Второй недостаток связан с амплитудно-фазовой конверсией в мощных каскадах передатчика, а также и в амплитудном ограничителе, в которых осуществляется амплитудная модуляция. Обе эти проблемы приводят к специфическим нелинейным искажениям усиливаемого сигнала. В зарубежной литературе построение усилителей и передатчиков методом раздельного усиления огибающей и фазомодулированного заполнения получило название EER (Envelope Elimination and Restoration) – подавление и восстановление огибающей.

3.3. Метод автоматической регулировки режима по питанию (АРР)

Рис. 4. Структурная схема усилителя мощности с системой АРР по питанию.

В режиме автоматической регулировки режима, как показано на рисунке 4, огибающая входного радиочастотного сигнала детектируется и выделяется Детектором Огибающей, усиливается до необходимого уровня в Усилителе Управляющего Напряжения и подается в цепь смещения транзистора в виде смещающего напряжения ЕG(t), запитывается же транзистор от Регулируемого Источника Напряжения напряжением ED.

Рис. 5. Осциллограммы сигналов для режимов работы транзистора класса – А, класса – В, и АРР.

На рисунке 5 представлена модель транзистора с осциллограммами усиливаемого сигнала для трех режимов работы. Сплошной линией показан классический режим «А» с фиксированным напряжением смещения VG. Точками показан режим «В» усиливающий только одну полуволну сигнала. Штрихпунктирной линией показан Автоматический Режим Регулировки «» по принципу работы он схож с режимом «А», только тут положение рабочей точки не фиксировано, а изменяемо в приделах всего линейного участка передаточной характеристики, так что напряжение смещения устанавливается на минимальные уровни для получения требуемых значений выходного напряжения [3]. Это позволяет УМ работать более эффективно, за счет снижения мощности потерь транзистора, выделяемой в виде тепла. В зарубежной литературе построение усилителей и передатчиков методом автоматической регулировки режима в линейной области ВАХ транзистора получило название ET (Envelope Tracking) – отслеживание огибающей.

Средняя Отслеживаемая Мощность. ?

Средняя Отслеживаемая Мощность похожа на АРР, за исключением того, что блок питания отслеживает не мгновенные значения огибающей, а среднее ее значение, которое пропорционально средней  мощности. Это решение может обеспечить существенное увеличение средней эффективности для систем с большим диапазоном регулирования мощности.

3.4. Схема  Догерти.

Рис. 6. Упрощенная схема усилителя Догерти.

Метод У. Догерти, предложенный в 1936 г. В таком усилителе мощности задействовано два усилительных прибора: один из них, основной, работает при любых значениях огибающей сигнала, а другой включается только при пиковых ее значениях. При этом, дополнительный  усилительный прибор в течение большей части периода огибающей, работает в высокоэффективном граничном режиме. Полезные мощности двух усилительных приборов суммируются по току в общем контуре, что привело бы к возрастанию их эквивалентных нагрузочных сопротивлений при совместной работе, и к переходу в перенапряженный режим с присущими ему нелинейными искажениями огибающей. Для противодействия увеличению напряженности режима, суммирование мощностей двух усилительных приборов осуществляется через специальный инвертирующий четырехполюсник, требующий перестройки при изменении рабочей частоты, что существенно усложняло эксплуатацию такого передатчика. Еще одним существенным недостатком этого метода является излом амплитудной характеристики в точке включения второго усилительного прибора.

4. Сравнительный анализ усилительных каскадов с АРР.

4.1. Методы реализации автоматической регулировки режима.

 Методы реализации автоматической регулировки режима основаны на использовании автоматической регулировки напряжения (АРН) питания и автоматической регулировки напряжения смещения или автоматической регулировки тока (АРТ) .

При реализации метода автоматической регулировки напряжения питания, изменение положения рабочей точки усилительного элемента осуществляется за счет изменения напряжения питания транзистора согласно закону изменения амплитуды входного сигнала и показано на рисунке 7.

Рис. 7. Эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада,

работающего в режиме класса А с АРН питания.

Применение метода автоматической регулировки напряжения питания, позволяет полностью использовать транзистор по напряжению, при различных уровнях входного сигнала.

При реализации метода автоматической регулировки напряжения смещения, изменение положения рабочей точки усилительного элемента осуществляется за счет изменения напряжения смещения транзистора согласно закону изменения амплитуды входного сигнала и показано на рисунке 8.

Рис. 8. Эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада,

работающего в режиме класса А с АРН смещения.

В отличие от усилительных каскадов с АРН питания, в усилителях с АРН смещения или АРТ, полное использование транзисторов по напряжению возможно лишь при максимальном уровне выходного сигнала. При уменьшении выходного напряжения коэффициент использования транзистора по напряжению уменьшается пропорционально уровню выходного сигнала. Это поясняют эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада  приведенные на рисунке 7 и 8.

На рисунке 9 представлены эпюры напряжений и токов усилительного каскада работающего в режиме класса А с АРН питания и смещения, в координатах выходных вольтамперных характеристик транзистора, поясняющие принцип работы системы регулирования при оптимальном законе изменения положения рабочей точки, где ,  – амплитуды выходного напряжения и тока; – нагрузочная прямая каскада по переменному току.

Рис. 9. Эпюры напряжений и токов транзистора усилительного каскада,

работающего в комбинированном режиме класса А с АРН питания и смещения.

Как видно из рисунка, в этом случае при любом уровне выходного напряжения происходит полное использование транзистора по току и напряжению.

Литература

[1] Крыжановский В.Г. Транзисторные усилители с высоким КПД. Донецк: Апекс, 2004 - 448 с.

[2] Шахгильдян В.В, Иванюшкин Р.Ю. Методы повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности. МТУСИ -М..2011г

[3]      A. A. Saleh and D. C. Cox, "Improving the Power Added Efficiency of FET Amplifiers Operating with Varying-Envelope Signals," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 31, pp. 51-56, 1983.

Вфс- выходная фильтрующая система.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

1988. Жанр письмо вождю в тоталитарную эпоху 1.13 MB
  Письмо вождю в русле мировой и русской эпистолярной традиции. Жанровая специфика. Причины актуализации. Письмо вождю: жанровые разновидности. Образ адресанта.
1989. Миграционные процессы на Ставрополье во второй половине ХХ века: историко-культурный аспект. 1.11 MB
  Миграция как социально-демографический процесс. Теоретические аспекты миграционных процессов. Исторические традиции и новации в миграционных процессах на Ставрополье во второй половине ХХ века. Проблемы социокультурной жизни Ставрополья через призму миграций. Национально-культурное взаимодействие мигрантов с местным населением.
1990. Разраничение полномочий между органами государственной власти Российской Федерации и ее субъектов по предметам совместного ведения 1.12 MB
  Теоретические основы разграничения полномочий между органами государственной власти Российской Федерации и ее субъектов по предметам совместного ведения. Совершенствование конституционно-правовых основ разграничения полномочий между органами государственной власти Российской Федерации и ее субъектов по предметам совместного ведения.
1991. Эффективная работа SolidWorks 2005 36.34 MB
  Построение эскизов твердотельных моделей, добавление на эскиз геометрических взаимосвязей. Альтернативные методики простановки размеров и параметров элементов. Профессиональные инструменты моделирования.
1992. Русско-Французский билингвизм российского дворянства первой половины XIX века 1.13 MB
  Билингвизм как культурный феномен. Коммуникативные ситуации и речевой этикет в условиях русско-французского билингвизма русский дворян начала XIX века. Дворянское эпистолярное наследие первой половины XIX века с точки зрения билингвизма.
1993. Принципы доступности и коммуникативной направленности обучения студентов в условиях применения инфокоммуникационных технологий 1.13 MB
  Принципы как методологическая основа обучения студентов и педагогическая проблема. Создание и реализация дидактических информационных сред и технологических структур как условие доступности и коммуникативной направленности студентов.
1994. Правовое регулирование оказания Интернет-услуг 1.12 MB
  Общая характеристика обязательств по оказанию услуг. Развитие российского законодательства, регулирующего оказание Интернет-услуг. Обязательства, возникающие в результате обмена данными (электронными документами). Договоры подключения оконечного оборудования абонента к международной сети электросвязи Интернет.
1995. Технические анализ 1.12 MB
  С момента своего возникновения технический анализ вырос из теории в самостоятельную и серьезную науку и остается на протяжении всех лет своего существования самым распространенным и востребованным методом анализа биржевых цен. Это в очередной раз доказывает его высокую эффективность и позволяет инвестору в значительной мере улучшить показатели своей торговли, а также повысить шансы на успех в таком далеко не простом деле как трейдинг.
1996. Техническая эксплуатация автомобилей 1.11 MB
  Расчет годовой производственной программы всех видов технического обслуживания. Определение трудоемкости ТО и ТР на 1000 км пробега для автомобилей, работающих с прицепом или полуприцепом. Расчет численности производственных рабочих.