CC BY
454
УДК 621.38: 621.375
АНАЛИЗ И СХЕМА УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА "Е"
Шит Амер Фархан
Среди импульсных усилителей мощности класс Е - самый привлекательный вариант в отношении простоты и показателя высокой эффективности. Типичный класс Е усилителя мощности состоит из переключательного транзистора (М1) и пассивной схемы (Ь1,Є1,Ь2,Є2). Одна из самых простых версий низковольтных генераторов класса Е достигнута, если трансформатор используется как усилитель выходящей мощности. Преимущество этой схемы, что генератор выходящей энергии присоединяется со стандартной нагрузкой (например, 50) и требует напряжение затвора полевого транзистора со структурой металл - оксид - полупроводник. Тем не менее использование магнитного сердечника в трансформаторе может вызвать ослабление, понижающее эффективность генератора
Ключевые слова: генератор, транзистор, усилитель мощности, трансмиттер
1. Введение
Так как беспроводная связь становится более предпочтительной, появилось повышенное внимание и спрос на дешевую, высокоэффективную и компактную систему. Необходимой частью, включенной в системы беспроводной связи, является высокая частотность усилителя, которая является самой важной частью при сборке блоков простых трансмиттеров и энергоемких компонентов в системе [1].
Усилитель мощности основан на схеме линейных характеристик или на импульсном источнике, который снимает версии о подачи расходной частотности [2]. Он производит высококачественное напряжение запирания, а также большую потерю мощности. Усилитель мощности линейной системы, в общем, имеет низкую частотность, особенно когда он не функционирует в максимальном режиме мощности. Значительное напряжение расширяет развитие техники, чтобы улучшить эффективность радиочастотности (РЧ) усилителя.
С другой стороны, импульсный источник усилителя мощности более эффективен, но он возрастает при выходе искажений, вызванной природной коммутацией усилителя.
На практике, рентабельные технологии используется в линейном усилителе мощности для приема затрачиваемого КПД, поддерживающего его линейность. Аналогичным образом, импульсные усилители мощности изменяют свою силовую подачу, встречая необходимость линейного требования, в то время, сохраняя его высокую эффективность.
Современные системы импульсного усилителя мощности сконструированы, чтобы достичь высокой эффективности линейного усиления. Это уменьшает потребление энергии и повышает эффективность, контролируя вытекающий ток усилителя мощности.
Энергоконтроль (контроль вытекающего тока) усилителя мощности - это метод добычи эффективности выше среднего показателя. Существует два основных энергоконтролирующих подхода: аналоговый и цифровой контроль. Аналоговый подход
Шит Амер Фархан - ВГТУ, аспирант, тел. (4732) 43-77-06
может обеспечивать изменение смещения, регулируя напряжение питания. Он имеет сглаженный потенциал вариации эффективности. Цифровой подход изменяет размер устройства выходного каскада или амплитуду входящего сигнала. Он имеет широкую выходящую мощность, но приблизительный потенциал вариации эффективности [3].
2. Теория
В общем, усилитель мощности использует мощность постоянного тока, подведенного источником питания, усиливая РЧ выходную мощность. По своей основе, усилитель мощности состоит из активного прибора, обычно простого биполярного плоскостного транзистора (БПТ) или полевого транзистора (ПТ), соединенного с выходом сети. Активный прибор действует как источник тока, приводящий поток к соответственному смещению постоянного тока и входящего сигнала. Входящие и выходящие согласованные сети оптимизируют источник и полное сопротивление нагрузки транзистора, снабжая максимумом коэффициентом передачи. Суммарный коэффициент полезного действия всего транзистора определяют как отношение высокочастотной мощности получаемой нагрузки к мощности постоянного тока входящего в усилитель. На пике измерения эффективности усилителя мощности появляется другой важный параметр высокоэффективного усилителя мощности - КПД суммирования мощности. КПД суммирования мощности это измерение максимальной выходящей высокочастотной мощности во входящую высокочастотную мощность, входящую в усилитель. Таким образом, это важный, способный на передачу максимальной мощности постоянного тока как нагрузку высокочастотной мощности.
Как правило, усилители мощности разделяются на различные классы (А,В,С,Б,Б,Р,Р-1 и 8). Классы режимов отличаются методами режимов, эффективностью, линейностью и мощной выходной способностью. Классы разделяют, исходя из угла отсечки транзистора. Так как угол отсечки коллектора в транзисторе уменьшается, эффективность усилителя увеличивается. Тем не менее, так как эффективность усилителя возрастает, линейность усилителя уменьшается в тоже время. Итак, выбор есть [1].
2.1 Усилитель мощности класса Е.
Среди импульсных усилителей мощности, класс Е - самый привлекательный вариант в отношении простоты и показателя высокой эффективности. Типичный класс Е усилителя мощности состоит из переключательного транзистора (М1) и пассивной схемы (Ь1,С1,Ь2,С2), которая показана на рис. 1.
-UK* 1 • • а • •••(•с я-%- аго *-ТіМ*РІ» - •аок «г • л 41 ■ ■ % *
л_п J.
I 1 1
Рис. 1. Базовая конфигурация усилителя мощности класса Е
Входящий прямоугольный сигнал Уіп тумблера импульсный транзистор с периодичностью W0,L1 действует как любой радиочастотный дроссель или ограниченная индуктивность. С1 показывает паразитную мощность импульсного транзистора и дополнительного шунтирующего конденсатора. L2 и С2 формирует серию LC резонатора как полосовой фильтр к моделирующему сигналу и подавляет искажение в нагрузке Яор1 [3]
Схема 1 должна быть спроектирована так, чтобы встречались режимы мягкой коммутации с операциями класса Е, такими как:
1) Напряжение поперек выключателя это нуль, когда он включен.
2) Первый дериват напряжения поперек выключателя это нуль, когда он включен.
Эти условия гарантируют перекрытие между электротоком и напряжением сигнала в течении всего периода. Итак, переключательный транзистор имеет расход энергии и 100 % теоретическую эффективность, которой можно добиться. [1].
Эквивалентная цепь усилителя класса Е может находиться как показано на рис. 2 [4].
Электроток іЯ(П) может быть выражен следующей формулой:
іЯ (П)=Іі8іп(П+Ф)
І! : Амплитуда напряжения электротока І[.
Ф : Начальная фазовый угол в состоянии «выключено»
Фи(П)=0
іс (□ ) = ІББ - І^іп(п+Ф) (1)
Напряжение поперек конденсатора С1 это:
V
1 Ф
(□)=— f ic (e)de
ОС і
(2)
Из уравнения 1 и 2 следует, что напряжение конденсатора С1 может находиться в любой момент:
1
Ус(Щ= ---[ІБб(^)+ І1С05(^+Ф)- І1СОБ Ф] (3)
ОС
В усилителе мощности класса Е условие «вкл/выкл» отображается следующими формулами
[5]:
Ус(Щ| в =п =0 (4)
йУс(Є)
de
|е= п =0
(5)
Уравнение (5) это наклон Vc и мгновение включения переключателя.
Заменяем уравнение (4) на уравнение (3) отдачи.
2
Idd---Ii cos Ф (6)
п
И из уравнения (5) и (3) Idd=-I1 sin Ф
(7)
И из уравнения (7) и (6)
! - 2
Ф= гап-1(-----)
п
Из уравнения 3,4,5,6 мы можем найти числовое значение Х[, Я 1 и С1 Хь = 1.152 Я 1 8
Ят.=----------------;-- (8)
Xl =
C=
oc п(п + 4) (8)
(п2 - 4) =
oc2(n2 - 4)
8
0.2116
oc
0.1836
oRLn(n2 + 4) oRL
(9)
(10)
П + 4
Rdc=Rl —--------« 1.734Rl
8
Сила поставляется из DC источника (5), (6):
Рис. 2. Эквивалентная цепь усилителя класса Е
PDC= VDD IDD =
V2
V2
rd
Rl п2 +4
0.5768
V2
L
Также:
RL
P out=
V2
Rl п2 +4
И эффективность потребления:
Пи =
Pou
Pu
= 100 %
2.2. Генератор состояния класса Е
Одна из самых простых версий низковольтных генераторов класса Е достигнута, если трансформатор используется как усилитель выходящей мощности. Преимущество этой схемы это генератор выходящей энергии. Преимущество этой схемы, что генератор выходящей энергии присоединяется со стандартной нагрузкой (например, 50) и требует напряжение затвора полевого транзистора со структурой металл - оксид - полупроводник. Тем не менее, использование магнитного сердечника в трансформаторе может вызвать ослабление, понижающее эффективность генератора.
В пределах видимости предыдущего анализа, был сделан выбор в пользу схемы представленной в (3), (рис. 3), потому что она удовлетворяет все наши требования к генератору по различным входящим параметрам. Делитель напряжения ЯЛ1и гарантирует транзисторную деятельность коэффициента заполнения до 50 % стабилитрон УЭ, защищая логическую схему от проникновения внутреннего напряжения в возможный предельный уровень.
ЯТ%“ О РО
Т - ■ I»
-ада. *
* * v . - Ч*
Рис. 3. Схематичный генератор класса Е
Следующие условия должны быть удовлетворены генератором класса Е [3]:
1) Текущий поток напряжения волновой формы это тоже, что и усилитель класса Е.
2) Запас энергии в сетевой нагрузке должен быть достаточно высоким, чтобы гарантировать требующую стабильность частоты.
3) Напряжение обратной связи имеет ту же фазу (что касается стока (полевого транзистора)) и величину, что и соответствующий усилитель.
Еще одно требование - это желаемый уровень искажения при выходе тока. Нагруженная добротность должна быть не меньше 5.1 при получении второго уровня искажения в 20 dB без фильтрации (4). Строгие отношения среди частотности, сопротивлении нагрузки и реактивных элементов требующиеся для работы усилителя класса Е должны удовлетворятся в генераторе. Специфические составляющие величины необходимы для обеспечения работы желаемой частотности и при нулевом фазовом сдвиге между входящей и выходящей обратной связи. Тем не менее, это требование может негативно сказаться на других условиях. По этой причине, один должен принимать во внимание входное полное сопротивление обратной связи.
Амплитуда обратного напряжения генератора достаточна высокая для достижения команды переключения. В нашем случае, не достаточно 10-20 V.
Другим условием может быть нагрузочное сопротивление, которое равно 50Ю в применении.
Литература
1. Bumjin Kim. High Power amplifier with Maximized Efficiency / Kim Bumjin. Senior Project, California Polytechnic State University 2007. - 58 p.
2. Tongqiang Gao, Dongmei Li Baoyong Chi, Zhihua Wang. A CMOS Class-E Power Amplifier with Power Control / Gao Tongqiang and others. - IEEE, 2007.
3. Milosevic D., Tang J. and Roermund A. Analysis of losses in non-ideal passive components in the Class-E power amplifier / D. Milosevic and others. - Eindhoven University of Technology (TU/e).
(http://zeus.ics.ele.tue.nl/-dmibsev/paper-ISCAS2003/pdf).
2. Saad Ahmed Ayoub Al-Salami, Design and Implementation of Radio frequency Class (E) Power Amplifier. -Thesis Master of Science, 2004.
3. Shwan Kuo. Linearization of a Pulse Width Modulate Power Amplifier / Kuo Shwan. - Thesis Masters of Science, 2004.
4. Raab F.H. Idealized operation of the Class-E Tuned Power Amplifier / F.H. Raab - IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. CAS-24. - 725-735 pp.
Воронежский государственный технический университет
THE ANALYSIS AND THE SCHEME OF AMPLIFIERS OF POWER OF THE CLASS "Е"
Sheet Amer Farhan
ии
8
ии
ии
8
ии
Among pulse amplifiers of power, class E - the most attractive variant concerning simplicity and an indicator of high efficiency. Typical class E of the amplifier of power consists of the switching transistor (Ml) and the passive scheme (L1, C1, L2, C2). One of the most simple versions of low-voltage generators of class E is reached, if the transformer is used as the amplifier of leaving power. Advantage of this scheme, what the generator of leaving energy joins with standard loading (for example, 50 Om) and demands voltage of a shutter of the field transistor with structure metal - oxide - semiconductor. Nevertheless, use of the magnetic core in the transformer can cause the easing lowering efficiency of the generator
Key words: the generator, the transistor, the power amplifier, the transmitter
