CC BY
253
Ключевые усилители мощности классов Е и Е-инверсный
В статье, опираясь на принцип дуальности, систематизированы схемы ключевых усилителей мощности Ключевые слова: инверсный класс Е, (УМ) классов и инверсный. Одновременно предложены четыре новые схемы УМ-класса и одна ключевой усилитель, высокая УМ-класса с последовательной ключу емкостью формирующего контура. Приводятся расчетные
эффективность, мощность, соотношения для величин реактивных элементов их формирующих контуров, которые позволяют быстро
дуальность. проектировать выходную цепь УМ данного класса.
Васильев А.В., Козырев В.Б.
Введение
В радиопередающих устройствах остро стоит вопрос получения с электронных приборов, в частности с транзисторов, максимальной радиочастотной мощности при наибольших КПД и коэффициенте усиления по мощности на как можно более высоких частотах. Практически добиваются максимума одного из перечисленных параметров, в частности, наибольшего КПД при приемлемых остальных. Один из перспективных способов достижения этого - использование ключевого режима работы транзисторов класса Е. Только в ключевых УМ данного класса выходная емкость транзистора Скых не является паразитной и не вызывает коммутативных потерь, а входит в состав емкости формирующего контура С. .
При этом на предельно высоких частотах она полностью выполняет ее роль. В настоящее время основные вопросы теории и практического применения таких УМ достаточно хорошо исследованы [1-2].
В тоже время в 1981 году появилась статья [3], где рассматривается схема ключевого УМ, в которой формы импульсов напряжения и тока на эквивалентном ключе дуальны (инверсны) соответственно формам импульсов тока и напряжения на ключе в УМ класса Е. Спустя почти четверть века выходит вторая статья [4], в которой исследуется другая схема аналогичного УМ, с аналогичными временными зависимостями токов и напряжений на эквивалентном ключе. Однако в первой схеме Г-образный формирующий контур выполнен по структуре ФВЧ и состоит из параллельной индуктивности
Ьформ и последовательной емкости Сформ, а во второй
схеме уста-новлен Г-образный формирующий контур по структуре ФНЧ, начинающийся с последовательной индуктивности L(^)pM, за которой стоит параллельная емкость С(/юрЛ1 . Кроме того, в первой схеме после формирующего контура следует последовательный фильтрующий ЬфСф контур, а во второй - параллельный. Практически сразу таким ключевым УМ был присвоен класс Ешш [4-5]. Следует отметить, что впервые возможность построения УМ, у которого выходная цепь
связи начинается с последовательной индуктивности, в том числе и при работе в ключевом режиме, выполненного на электровакуумном триоде, рассматривалась в [6-7].
Преимущества УМ класса ЕШ1в в том, что он позволяет минимизировать потери, обусло-вленные нахождением транзистора в активном состоянии, так как к моменту его выключения (перехода в закрытое состояние) ток, протекающий через него, уже равен нулю. Не менее важно то, что в этих УМ пик-фактор по напряжению
(Пи =2,862), оказывается в 1,24 раза меньше, хотя пик-фактор по току ( П, = 3,562) в такое же число раз
больше, чем в УМ класса Е [2]. Поэтому, если есть одновременные ограничения на максимальные напряжение
и ток, то УМ класса Е и Еинв могут обеспечивать одну
и туже величину колебательной мощности, только в
случае УМ класса Ешш напряжение питания будет в
1,24 раза ниже, а постоянная составляющая тока в такое же число раз больше. Однако если есть ограничение
только по напряжению, то УМ класса Е1Шв позволяет
снимать с транзистора в 1,24 раза большую мощность. В
свою очередь, УМ класса ЕШ1в принципиально более
низкочастотный по сравнению с УМ класса Е. Включение транзистора в них происходит не при нулевом напряжении на его выходных электродах, и из-за его
выходной емкости Свых > 0 появляются коммутативные потери.
В статье, опираясь на принцип дуальности в построении формирующих и фильтрующих контуров ключевых УМ классов Е и Ешш, проведена систематизация известных, и представлен ряд новых схем таких УМ. При этом для нахождения и получения расчетных соотношений, в частности параметров форми-
рующего контура, не потребовалось составлять и решать системы соответствующих дифференциальных уравнений для каждой из этих схем, описывающих колебательные процессы в эквивалентных схемах с ключами на этапах их разомкнутого и замкнутого состояний при соответствующих начальных условиях. В дальнейшем можно будет провести объективное сравнение всех возможных схем построения ключевых УМ обоих классов. Усилители мощности класса Е и Е1шн
Оба класса ключевых УМ можно разбить на три группы по схемам построения формирующих контуров:
в виде Г-цепочек по структуре ФНЧ; в виде ЬС контуров; в виде Г-цепочек по структуре ФВЧ. Основным этапом анализа всех этих схем является отыскание величин элементов формирующих 1“фор^Сформ К0НТУР0В' при
которых будет обеспечиваться оптимальный режим работы транзистора. Для этого используют нормированные коэффициенты а, и ас, где
а1 = °>1фоР1 К (!)
«с = пСфорК (2)
Они характеризуют значения г и г элемен-
1 1 * форм форм
тов, а точнее их сопротивления (проводимости) на рабочей частоте УМ, относительно его нагрузочного сопротивления (проводимости) /?„ .
Принцип дуальности при нахождении нормированных коэффициентов а1 и ас для всех схем выходных
цепей связи ключевых УМ классов Е и Е аналогичен
имв
проектированию ФНЧ и ПФ при работе от генератора тока или генератора напряжения. В первом случае фильтр начинается с параллельной емкости С,, затем
следует последовательная индуктивность /о , далее параллельная емкость С3 и т.д. Во втором случае - с
б)
последовательной индуктивности , затем параллельная емкость С\ , далее последовательная индуктивность
А, и т.д. В результате синтеза того или иного ФНЧ на заданную АЧХ и ФЧХ находят расчетные значения коэффициентов аи = о)вЦ/Ян и аа+] - соСмЯ , где
СОв -граничная частота пропускания ФНЧ, при общепринятой нумерации Ь. и С,+1 элементов от генератора к нагрузочному сопротивлению. Важно что, коэффициенты а,, а2, , ... для обеих схем оказываются одина-
ковыми. На рис.1 слева приведены три схемы УМ класса Е с Г-образным формирующим контуром, начинающийся с параллельной емкости орм. В схеме на
рис.1,а включен дополнительный последовательный, а на рис.1,в — дополнительный параллельный фильтрующие ЕфСф контура. Рядом с ними показаны временные
зависимости тока /(<У/) и напряжения е(со() в оптимальном режиме на эквивалентном ключе, которым заменяют транзистор, и значения нормированных элементов формирующего контура аь и ас [1-2].
Рис. 1. Схемы УМ класса Е (а,б,в) с Г-образным формирующим контуром и дуальные им схемы УМ класса Еинв (г,д,е)
«,=0,685
0^=0,732
Рис.2. Схемы УМ класса Е (а,б) с параллельным формирующим контуром и дуальные им схемы УМ класса Е (в,г)
На этом же рисунке справа даются аналогичные дуальные схемы УМ класса Е , в которых формирующий контур начинается с последовательной индуктивности Ьфдр", а в схемах на рис.1,г,е включены соответственно параллельные и последо-вательные фильтрующие ЬфСф контура.
На рисунке 2 слева приведены две схемы УМ класса Е с параллельным формирующим конту-
ром при работе непосредственно на резистор и при включении дополнительного последовательного фильтрующего ЕфСф контура. Здесь также кроме временных
зависимостей токов и напряжений в эквивалентном ключе при работе в оптимальном режиме приведены
значения ас и аь для формирующих контуров [1-2].
Справа на рис.2 приведены две новые дуальные схемы
УМ класса Еинв с последовательным формирующим
Ьформ С форм контуром и значения ас и а, для расчета
величин их реактивных элементов.
На рисунке 3 приведены схемы УМ классов Е и Е с Г-образными формирующими конту-рами в виде ФВЧ. Причем здесь имеет место обратная ситуация. В исходной первой публикации [3] по УМ класса Еинв была рассмотрена схема на рис.3,6.
Используя принцип дуальности, предлагается аналогичная схема ключевого УМ класса Е с последовательной емкостью Сфори на рис.З, а и таким же способом
полученные ОСс И ОС/ коэффициенты.
Как четыре новые схемы УМ класса Еит, так и новая схема класса Е проверялись в среде схемотехнического моделирования Місгосар 9, и необходимо отметить, что на этапе моделирования всех схем УМ для достижения оптимального режима, даже не потребовалась подстройка элементов формирующих контуров, что говорит о точности полученных коэффициентов ас и аь-
Выводы
В работе, опираясь на принцип дуальности, предложены четыре новых схемы и проведена систематизация всех шести схем УМ класса Еит с различным построением формирующего контура. Одновременно к пяти известным схемам УМ класса Е добавлена новая схема, в которой формирующий контур начинается с последовательной емкости Сформ. Показана полная дуальность
между 6-тью схемами УМ класса Е и 6-ю класса Е
как по значениям величин нормированных элементов формирующего контура, так и по временным зависимостям токов и напряжений, а значит и по энергетическим
Рис.З. Новая схема УМ класса Е (а) и дуальная ей схема УМ класса Еинв (б) с параллельной индуктивностью формирующего контура
характеристикам. Вопросы практической значимости полученных схем УМ класса Е и главное класса Е с
последовательной емкостью С. , в том числе и их
частотные ограничения, исходя из тех или иных критериев, требуют специального рассмотрения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / Козырев В.Б., Лаврушенков В.Г., Леонов
В.П. и др. / Под ред. И.А. Попова. - М., Радио и связь, 1985. -195с., ил.
2. Grebennikov A., Sokal N.O. Switch mode RF power amplifiers - 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA, USA Linacre House, Jordan Hill, Oxford, UK. 2007.
3. Ka/imierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 1981. - Vol.16. -№1.- P.2-7.
4. Brabetz Т., Fusco V.F. Voltage-Driven Class E Amplifier and Applications. - IEE Proc. Microwaves Antennas Propag. -Vol. 152. - P.373-377. - October 2005.
5. Ajuiiiob A.C., Козырев В.Б. Систематизированная классификация транзисторных усилите-лей мощности // Электросвязь. -2006. -.№10. -Стр.37-43.
6. Артым А.Д. Ключевые генераторы гармонических колебаний. М.: Энергия, 1972. — 170с., ил.
7. Артым А.Д. Усилители класса D и ключевые генераторы в радиосвязи и радиовещании. - М.: Связь, 1980. - 209с., ил.
