Исследование влияния принципа построения на функционально-энергетические характеристики широкополосных усилителей мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Доклады БГУИР

2009 № 8 (46)

УДК 621.396.61

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ НА ФУНКЦИОНАЛЬНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ

ЗЕН ХЕК ХАН, И.Ю. МАЛЕВИЧ

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь

Поступила в редакцию 6 ноября 2009

Проведен анализ влияния на функционально-энергетические характеристики принципа построения широкополосного усилителя мощности. Получены аналитические выражения для определения параметров широкополосных усилителей мощности.

Ключевые слова: функционально-энергетические характеристики, широкополосные усилители мощности, построение усилительного тракта.

Введение

Как известно [1-5], определяющее значение для получения заданных функционально-энергетических характеристик широкополосных усилителей мощности (УМ) имеет их принцип построения: по схеме с корректирующими цепями, с согласующей обратной связью, по схеме с распределенным усилением.

Таким образом, с точки зрения теории и практики синтеза широкополосных усилителей мощности, актуально исследование влияния структуры усилительных звеньев на амплитудно-частотную характеристику, КПД и линейность тракта.

Влияние структуры усилительного звена на амплитудно-частотную характеристику УМ

Широкополосный усилительный каскад с корректирующей цепью (рис. 1) является одной из наиболее эффективных схем построения УМ с точки зрения простоты настройки и конструктивной реализации [2-5].

- ргУ^О

Кг ^ Сг =Р С1

ивых

Рис. 1. УМ с корректирующей цепью

В таком УМ коэффициенты усиления по напряжению и мощности определяются соответственно выражениями:

„ _ Ццых _ _^ёт^н^Ъ_ . V „ _ V „ 2 ^г /1\

ки Р —гг~ -——-—:-2-Г' кр Р Р ^

иах К+Яз 1 + а1р + а2р +а3р Кн

где р = /О; = ш/шв — нормированная частота; со — текущая круговая частота; со,, — верхняя круговая частота полосы пропускания разрабатываемого усилителя;

ал =

12н + К СЫ + СЮ

1 + 11

а2 =

4н СЫ+КЗнСв:

а3 =

-Зи

(2)

где С1н —С1н+ СвЬ1ХН; Ь2н — Ь2н + Ьехн, относительно юв и Ипых значения элементов СХ,Ь2,ЯЪ, транзистора.

С1н Лн Я3н Свыхн,кхнСехн — нормированные

крутизна

Полагая, что Иг:: = Ивь1х = 50 Ом, для допустимой неравномерности АЧХ не более ±0,5 дБ, используя справочные данные мощного СВЧ МДП транзистора КП907А и соотношения для расчета значений элементов (2), получим значения элементов согласующей цепи:

Сх = С'1н /Ягь\ = 15,7 пФ, Ь2 = ¿2 - = ОД 796 мГн, Я3 = Я3нЯг = 505 Ом .

На выходе каскада включена выходная широкополосная корректирующая цепь, состоящая из элементов Ь4-0,7нГн, С5=25пФ, которая обеспечивает минимально

возможное полосное затухание при согласовании терминального нагрузочного сопротивления с приведенным внутренним сопротивлением транзистора.

На рис. 4,а приведены результаты моделирования передаточной характеристики каскада широкополосного УМ на МДП транзисторе КП907А с рассчитанной корректирующей цепью.

Широкополосный усилительный каскад с согласующей отрицательной обратной связью (ООС) (рис. 2) обеспечивает требуемое согласование и диапазонную равномерность коэффициента передачи цепью, параллельной ООС по напряжению (Яое) [6-8].

я

С

и

С

т

I )

ь,

я

и

я

О ётеЩ Я

а б в

Рис. 2. Принципиальная схема УТ с ООС (а), модель МДП транзистора с общим истоком с учетом индуктивности истока (б) и высокочастотная эквивалентная схема усилителя с ООС (в)

Для усилительного каскада на МДП транзисторе (рис. 2) величина оптимального сопротивления обратной связи может быть определена с использованием ^-параметров:

5

п

— 1 + 2 Я ~ 2 + 2 Я

^ оси вх о т о си в;

2 2

^12 = ^21 = ёщВ-о,

1

Я

_а

Я

си вых

§т си К,,

(3)

где Е = 2 + (хгн + хси )Явх + —^ (1 + gcuRвx), gcu — выходная проводимость активного звена.

Если пренебречь , то выражения (3) преобразуются к виду:

- ^22 - ^

п

— -я К

т-. от а>

2 2

/г.

(4)

Идеальное согласование обеспечивается при условии Л',, = 822 = О. При этом

Ъе=8,Л,Ки= 201ё

2

(5)

С использованием (3)-(5) нетрудно определить оптимальную величину ^ для данного

типа активного прибора: для МДП транзистора с крутизной ВАХ 0,1А/В оптимальное сопротивление обратной связи составляет 250 Ом.

На рис. 4,б приведен результат моделирования передаточной характеристики однокаскадного усилительного звена с ООС на МДП транзисторе КП907А.

Широкополосный усилительный тракт с распределенным усилением (УРУ) (рис. 3).

Явых

С

вход

УТ1

- ь

С

С

выход

УТ2

Яг ь

С

УТ3

Яг ь

С

УТ4

== С у Явх

Рис. 3. Схема четырехкаскадного УРУ

Усилитель с распределенным усилением, как известно [9-14], позволяет устранить принципиальное ограничение произведения полосы пропускания на коэффициент усиления и обеспечить наряду с широкополосностью передаточной характеристики невзаимное сложение коэффициентов усиления активных элементов:

и.

и,.

7 е « -|Г2 М-к +1]^+ 2к-1 Ц г,

~ О тк ~

к=1 £

/ +1 N с 1 е 2 этИ гуС гуС ¿2 \н(гс-гз)Л 2

2с 1 + —этИ 4^2 (гс~гз) _ 2 _

(6)

где гс= ас+у'Рс и г, = а. + /р, — постоянная распространения и ас,Рс,аз,Рз — коэффициенты затухания и фазы передающих линий.

а „ = Яе-;

ЗЪф + Я

—+ 72;г/С

\Гси

Ъ3= /2п/Ъ + Я у2п/Г

С

С

ь

ь

ь

7С7°

2

ус

1' 1

В случае идеальных линий передачи коэффициент усиления по мощности определяется следующим выражением:

г

си

Кр=\К.'\ =-4-

Ь

'з(с)

с

(7)

з(с)

На рис. 4,в приведен результат моделирования передаточной характеристики оптимизированного четырехкаскадного УРУ на МДП транзисторах КП907А.

частота (МГц)

а

б

частота (МГц)

в

Рис. 4. Результаты моделирования амплитудно-частотных характеристик различных типов широкополосных звеньев: а — УМ с корректирующей цепью; б — УМ с ООС; в — УМ по схеме УРУ

Влияние структуры звена на коэффициент полезного действия УМ

Между током, крутизной вольт-амперной характеристики, напряжением питания, мощностью потребления, напряжением нагрузки и углом отсечки существуют следующие отношения [1]:

4 =4.0/9;, 40 =1Ыа/е;, £ = р0 =1идп =1н/еост+ии),

II б-эт 0 сое

к»= — '«1 6 =-

V' п ¡-сое 0

а0 0 =-

эт 0 -Осов 0

п ¡-сое

(8)

где еост — остаточное напряжение активных звеньев и Э — угол отсечки выходного тока.

Из выражений (1), (5) и (8) нетрудно получить выражение для определения коэффициента полезного действия широкополосного усилительного тракта с КЦ и ООС:

Лщ р

а,

2а0 0

е

| ост

-'Л

Д 1 I ООС р

а.

(9)

Кииех )

2а 0 0

1-

2 и

вх от ое

Л, -1 /Е

На рис. 5,а приведены зависимости КПД в функции угла отсечки для однокаскадных широкополосных усилительных звеньев с КЦ и ООС на МДП транзисторах КП907А.

Выходная мощность р для УРУ может быть рассчитана, используя выражение

и2н /ртр«, _§1и1хп-9&

Щ, 2ра

8

8

(10)

П = ^ =

I \'/л' гч (

Тогда КПД УРУ определяется выражением:

У У

Рп

4

2е„

Ар**»

+1

1-

? а, 0 р п

От 1 г вых

4а п

а1 9

1 +

2е„

(11)

ёт^вхРвых^ J

где Р0 — п1 {)/',,, Еп — еост + (Iи. у — /, //0 — коэффициент формы выходного тока активных звеньев.

е

На рис. 5,б приведены зависимости КПД в функции угла отсечки при различном числе активных звеньев в 4-каскадном УРУ, выполненном на МДП транзисторах КП907А.

О 20 60 100 140 180 0 20 60 100 140 ISO

а б

Рис. 5. Режимная зависимость КПД для усилительных звеньев различного типа

Влияние структуры усилительного звена на линейность УМ

Как известно, амплитудная характеристика широкополосного усилительного звена может быть представлена зависимостью [9, 10, 14]:

п

ивых=к ивх и„+к2 ивх UI + ---+K ивх ir^Yji, и&х U'ex.

(12)

7=1

Применяя метод разложения в виде ряда Тэйлора, можно находить величины коэффициентов степенного ряда

к =

U ' U

вых вх

а

(13)

Крутизна вольт-амперной характеристики транзистора изменяется в зависимости от напряжения входного сигнала. Для МДП транзистора КП907А принята аппроксимация вида:

Ick=AU"„+C,

(14)

с параметрами: А=0,7765, 5=0,3139 и С=0.

При действии на входе активного звена двухтонового сигнала с амплитудами И8Х и

угловыми частотами С01, С0о на выходе образуются интермодуляционные составляющие:

I-..... I:.. . .. U.

2 вх ? 2 оз 2—оз^

= U,

2со2—а\

= 0,15hU

3 вх'

и^ =С/2о,_ за, =0,625LU;X.

(15)

С учетом (15) параметры ослабления интермодуляционных продуктов второго и третьего порядков определятся выражениями:

IMD2 = 201g

С/„

V и

\ вых у

(

201g

kJJ

I вх

v К J

, MD3 = 201g

V U ,

\ вых /

- 201g

0,75kJJ2

' i r;

(16)

V1 У

На рис. 6 с учетом (1), (5), (6), (13)-(16) приведены расчетные значения параметров ослабления интермодуляционных продуктов второго и третьего порядков в функции угла отсечки для усилительных звеньев различного типа.

1 ' '2

2 '

(¡0 Ей

а

б

Рис. 6. Зависимость ослабления нелинейных искажений второго и третьего порядка от режима работы: а — в УТ с КЦ; б — УТ с ООС; в — УТ по схеме УРУ

Результаты анализа и моделирования типовых усилительных звеньев широкополосных УМ показывают, что при заданных технических характеристиках самой эффективной схемой построения усилительного тракта с точки зрения широкополосности, равномерности АЧХ и ослабления интермодуляционных составляющих является схема УРУ. Так, даже для случая однозвенного УРУ параметры ослабления интермодуляционных искажений по второму порядку выше на 3 дБ, а по третьему порядку — на 8 и 5 дБ соответственно по сравнению с усилителем с корректирующими цепями и усилителем с ООС. При этом УРУ уступает другим типам звеньев в коэффициенте усиления и КПД.

Сравнительная оценка параметров различных типов широкополосных УМ в таблице.

Параметры широкополосных усилителей мощности

в

Тип усилителя Достоинства Недостатки

С корректирующими цепями Наибольший коэффициент усиления по мощности, наибольший КПД Полоса ограничена, высокий КСВН, низкая линейность, большая неравномерность АЧХ

С ООС Равномерная амплитудно-частотная характеристика, хорошая линейность Полоса ограничена, пониженная выходная мощность

С распределенным усилением Равномерная амплитудно-частотная характеристика, наибольшая полоса пропускания, хорошее согласование, высокая линейность, линейная фазо-частотная характеристика Низкий коэффициент усиления, пониженный КПД

Заключение

В работе проведен анализ влияния структуры усилительного тракта на функционально-энергетические характеристики широкополосных усилителей мощности.

Полученные результаты позволяют комплексно оптимизировать структуру усилителя мощности по полосе пропускания, коэффициенту полезного действия и параметрам ослабления интермодуляционных искажений.

INFLUENCE STUDY BY CONSTRUCTION PRINCIPLE TO FUNCTIONAL ENERGY CHARACTERISTICS OF THE WIDEBAND POWER AMPLIFIERS

HAN JONG HYOK, I.Yu. MALEVICH Abstract

The influence on the functional energy characteristics of the principle of building a broadband power is analyzed. The analytical expressions for parameters determination of the wideband power amplifiers are obtained.

Литература

1. Алексеев О.В. Проектирование радиопередающих устройств с применением ЭВМ. М., 1987.

2. Cripps S.C. Advanced Techniques in RF Power Amplifier Design. 2002.

3. Титов А.А. Транзисторные усилители мощности МВ и ДМВ. М., 2009.

4. Шахгильдян В.В. Радиопередающие устройства. М., 2003.

5. Ворона В.А. Радиопередающие устройства. М., 2007.

6. Dawson J.L., Lee T.H. Feedback Linearization of RF Power Amplifiers. 2004.

7. Niclas K.B. // IEEE Trans. technology. 2005. Vol. 285, № 4. 294 c.

8. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение. М., 1985.

9. Shapiro E.S., Xu J., Nagra A.S. et al. // IEEE Microwave and guided wave letters. 1998. Vol. 8, № 3.

10. Ahn H.-T., Allstot D.J. // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2002. Vol. 37, P. 985-993.

11. Ballweber B.M., Gupta R., Allstot D.J. // IEEE J. of Solid-State Circuits. 2000. Vol. 35, P. 231-239.

12. Liu R.-C., Deng K.-L., Wang H. // RFIC Symp. Dig. 2003. P. 103-106.

13. Yazdi A., Heydari P. // IEEE Int. Symposium on Circuits and Systems. May 2004. P. 384-385.

14. Beyer J.B., PrasadS.N., Becker R.C. et al. // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1984. Vol. 32. P. 268-275.