Повышение коэффициента полезного действия выходных каскадов полосовых усилителей мощности метрового и дециметрового диапазонов волн Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Системы телекоммуникации, устройства передачи, приема и обработки сигналов

УДК 621.375.026

А. А. Титов, М. А. Титова

Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники

Повышение коэффициента полезного действия выходных каскадов полосовых усилителей мощности метрового и дециметрового диапазонов волн

Традиционно в выходных каскадах полосовых усилителей мощности используется режим работы транзисторов с отсечкой коллекторного тока. Показано, что если коэффициент усиления выходного каскада усилителя меньше 8 дБ, для повышения его КПД и КПД всего усилителя целесообразно перейти к режиму работы без отсечки. Повышение КПД в этом случае достигается благодаря увеличению на 6 дБ коэффициента усиления выходного каскада.

Усилитель, мощность, КПД, автоматическая регулировка

Максимальный коэффициент полезного действия (КПД) каскада, работающего в режиме класса А, равен 50 %, в то время как в двухтактном каскаде, транзисторы которого работают в режиме класса В, он составляет 78.5 % [1]. Более высокий КПД каскадов, работающих в режиме с отсечкой коллекторного тока, позволяет получать от них большую выходную мощность. Поэтому традиционно выходные каскады полосовых усилителей мощности (ПУМ) реализуются работающими в режиме с отсечкой [2], [3].

Потенциально достижимый коэффициент усиления транзистора падает с ростом частоты сигнала со скоростью 6 дБ на октаву, а реальный коэффициент усиления одного каскада многокаскадного ПУМ метрового и дециметрового диапазонов волн не превышает 3...10 дБ [3], [4]. Кроме того, в двухтактных каскадах усилителей этих диапазонов между устройством сложения и каждым из транзисторов двухтактного каскада устанавливаются трансформаторы импедансов, являющиеся одновременно фильтрами высших гармонических составляющих усиливаемого сигнала [2], [3]. В этом случае КПД двухтактного каскада равен КПД однотактного дроссельного каскада [1]. При малом коэффициенте усиления подаваемая на вход каскада мощность соизмерима с выходной мощностью. В связи с этим преимущества режима класса В по сравнению с режимом класса А с учетом увеличения на 6 дБ коэффициента усиления каскада при переходе от режима В к режиму А становятся спорными.

Цель настоящей статьи - определение условий целесообразности использования режимов работы классов А и В в выходных каскадах ПУМ метрового и дециметрового диа-

© Титов А. А., Титова М. А., 2007

3

пазонов, позволяющих реализовать максимальный КПД рассматриваемых усилителей, и разработка работоспособных схемных решений реализации этих режимов работы.

КПД дроссельного каскада с сильным двухсторонним ограничением усиливаемого сигнала всегда выше при работе в режиме класса А. Это обусловлено тем, что при одинаковых потребляемых и выходных мощностях мощность, подаваемая на вход каскада при-работе в режиме класса В, в четыре раза превышает мощность, подаваемую на вход при работе в режиме класса А, поскольку в первом случае усиливается одна полуволна сигнала. Поэтому при анализе будем полагать, что работа каскада ограничена линейной областью, т. е. точкой компрессии амплитудной характеристики [5].

В соответствии с [1], [2] нетрудно показать, что КПД каскада, работающего в режиме класса А, с учетом подаваемой на его вход мощности может быть представлен в виде

ПА = Кр/[2Kp (2-Ç) +1] , (1)

где Kp - коэффициент усиления каскада, работающего в режиме класса А, по мощности; - коэффициент использования транзистора по напряжению [2].

КПД каскада, работающего в режиме класса В, при тех же условиях может быть выражен через коэффициент усиления в режиме класса А [1], [2]:

ПВ = Кр/[Кр (3 - 1.272Ç) + 4] . (2)

Приравняв (1) и (2), определим значение коэффициента усиления каскада, работающего в режиме класса А, при котором КПД не изменится при переходе к режиму класса В:

Кр = 3/(1 - 0.728^) . (3)

График зависимости (3) приведен на рис. 1 (кривая 1). При Кр, превосходящих значения, определяемые кривой 1, каскад имеет больший КПД при работе в режиме класса В, при значениях, меньших задаваемых кривой, - при работе в режиме класса А. Однако следует учитывать также отмеченное выше соотношение входных мощностей для рассматриваемых классов.

Для учета этого факта примем следующие допущения: каскад, работающий в режиме класса А раскачивается каскадом, КПД которого определяется отношением (1) при Кр ^ да и = 1, т. е. для предоконечного каскада Па = 0.5. Каскад, работающий в режиме класса В, раскачивается каскадом, КПД которого определяется отношением (2) при тех же условиях, поэтому для этого предоконечного каскада Пв = 0.58. Тогда значения Кр, соответствующие равенству КПД двухкаскад-

Кр

22

14

0.80

0.85

0.90 Рис. 1

0.95

ных вариантов ПУМ при работе в режимах классов А и В, определятся соотношением (рис. 1, кривая 2) КР = 7.9/(1 - 0.728^) .

Из последней зависимости следует, например, что если для оконечного каскада выполняются условия Кр < 25 и = 0.95, то большим КПД будет обладать ПУМ, все

2

1

6

%

каскады которого будут работать в режиме класса А. При коэффициенте усиления каскада, работающего в режиме класса А, Кр = 25 его коэффициент в режиме класса

В будет равен Кр/4 = 6.25 или 8 дБ. Поэтому для повышения КПД усилителя, имеющего коэффициент усиления менее 8

дБ, оконечный каскад которого работает в режиме класса В, следует перевести его в режим класса А.

Для получения от оконечных каскадов ПУМ класса А максимальной выходной мощности, равной мощности, которую они могут отдавать при работе в режиме класса В, необходимо автоматическое изменение тока, потребляемого каскадом, пропорционально уровню входного сигнала. При его отсутствии рассеиваемая на транзисторе мощность окажется больше предельно допустимой, что приведет к выходу транзистора из строя. Кроме того, усилитель должен оставаться работоспособным при внезапном отключении или коротком замыкании нагрузки.

В каскадах класса В потребляемый ток изменяется пропорционально уровню входного сигнала без применения специальных схем управления. Сохранение их работоспособности при внезапном отключении или коротком замыкании нагрузки возможно благодаря использованию схем защиты, наиболее эффективной из которых является схема, приведенная на рис. 2 [6], на которой Т - биполярный транзистор, БУ - блок управления, Д - детектор, Я - балластное сопротивление, НО - направленный ответвитель отраженной волны. Схема работает следующим образом [7].

На базу транзистора с блока управления, имеющего высокое выходное сопротивление на рабочих частотах усилителя, подается постоянное напряжение, запирающее оба перехода транзистора. На вход ПУМ и одновременно на эмиттер транзистора подается переменное высокочастотное напряжение усиливаемого сигнала. Переменное высокочастотное напряжение делится между емкостями закрытых переходов "база - эмиттер" и "база - коллектор", значения которых отличаются мало. Значение постоянного напряжения на базе транзистора устанавливается равным амплитуде переменного высокочастотного напряжения на переходе "база - коллектор" транзистора, соответствующей номинальному значению переменного высокочастотного напряжения на входе усилителя, т. е. приблизительно равной половине амплитуды номинального значения входного напряжения ПУМ.

При воздействии на вход ПУМ сигнала (или помехи), амплитуда которого превышает номинальную амплитуду входного напряжения, в положительный полупериод воздействия переменного сигнала напряжение на эмиттере транзистора превышает напряжение на его базе. Переход "база - эмиттер" открывается, и для мгновенных значений входного воздействия, превышающих номинальное значение, переход "эмиттер - коллектор" транзистора представляет собой двухполюсник с сопротивлением, составляющим единицы ом. В отрицательный полупериод воздействия переменного входного сигнала, превышающего по амплитуде номинальное значение, открывается переход "база -

Рис. 2

коллектор" транзистора, также представляющий собой двухполюсник с сопротивлением, составляющим единицы ом. В результате мощное входное воздействие оказывается двусторонне ограниченным.

С увеличением рассогласования нагрузки ПУМ с выходным сопротивлением НО (крайние степени рассогласования -короткое замыкание нагрузки и ее обрыв) напряжение, снимаемое с выхода отраженной волны НО, увеличивается, т. е. на вход детектора подается напряжение пропорциональное напряжению, отраженному от нагрузки усилителя. При номинальном значении выходной мощности и при коэффициенте стоячей волны по напряжению (КСВН) со стороны нагрузки, большем максимально допустимого значения, напряжение управления, подаваемое на базу транзистора с блока управления, начинает падать, уменьшая амплитуду входного воздействия, поступающего на вход ПУМ (уменьшается порог ограничения входного сигнала). Поэтому мощность сигнала на выходе ПУМ падает пропорционально росту КСВН нагрузки.

На рис. 3 приведена функциональная схема автоматической регулировки потребляемого тока, используемая в выходных каскадах сверхширокополосных усилителей мощности для повышения их КПД [8], [9], содержащая направленный ответвитель падающей волны НО, детектор Д, регулятор тока питания Р, балластные сопротивления и .

Схема работает следующим образом. В режиме молчания потребляемый каскадом усиления ток устанавливается минимальным. При подаче на вход сигнала он усиливается и поступает на выход устройства. Часть усиленного сигнала поступает на вход детектора, на выходе которого формируется постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде выходного напряжения каскада. Напряжение с выхода детектора подается на второй вход регулятора тока питания каскада. На первый вход регулятора подается сигнал с выхода цепи обратной связи (ЦОС) каскада усиления. Сигнал обратной связи, снимаемый с выхода ЦОС, пропорционален току, потребляемому этим каскадом. При несовпадении уровней сигналов, поступающих на входы регулятора тока питания, ток, потребляемый каскадом, изменяется и устанавливается пропорциональным уровню выходного сигнала. При таком способе управления исключается влияние эффекта детектирования на уровень выходной

Рис. 4

Рис. 3

мощности и одновременно осуществляется термостабилизация рабочей точки активного элемента каскада усиления в режиме постоянной выходной мощности.

Объединив схему защиты ПУМ (см. рис. 2) и схему автоматической регулировки потребляемого тока (см. рис. 3) получим функциональную схему (рис. 4)1, позволяющую создавать полосовые усилители мощности с оконечными каскадами класса А без потерь выходной мощности, сохраняющими работоспособность при внезапном отключении или коротком замыкании нагрузки.

На рис. 5 приведена принципиальная схема однокаскадного ПУМ, разработанного по функциональной схеме на рис. 4.

Элементы Ь1, С1, С2, Ь2 составляют входную корректирующую цепь, элементы Ь4, С5, Ь5, С6 образуют трансформатор сопротивлений с коэффициентом трансформации 1:15 [4]. Транзистор УТ1 осуществляет двустороннее ограничение мощных входных сигналов. Уровень ограничения регулируется подбором номиналов резисторов Ю или ЯЗ. В качестве регулятора тока питания (рис. 4) в усилителе использована схема активной коллекторной термостабилизации на транзисторе УТЗ [10]. Первому (Д1) и второму (Д2) детекторам на рис. 4 соответствуют детекторы на диодах УОЗ и У02 на рис. 5. Коэффициент передачи системы регулирования тока потребления транзистора УТ4 изменяется с по-

Рис. 5

1 ВхК - входные каскады; Д1 и Д2 - первый и второй детекторы соответственно.

2 Параметры элементов схемы: УБ1 - КС133А; УБ2, УБЗ - КД509А; УТ1 - КТ814Б; УТ2 - КТ315Б; УТЗ -КТ816Г; УТ4 - КТ931А; С1 - 39 пФ; С2 - 30 пФ; СЗ, С4 - 0.1 мкФ; С5 - 91 пФ; С6 - 18 пФ; С7-С9 -0.1 мкФ; С10 - 100 мкФ; Ь1 - 15 нГн; Ь2 - 3 нГн; ЬЗ - 1 мкГн; Ь4 - 5 нГн; Ь5 - 24 нГн; Ь6 - 20 мкГн; Я1 -2 кОм; Я2 - 470 Ом; ЯЗ - 1 кОм; Я4 - 2 кОм; Я5 - 200 Ом; Я6 - 62 Ом; Я7 - 470 Ом; Я8 - 220 Ом; Я9 -180 Ом; Я10 - 2 кОм; Я11 - 110 Ом; Я12 - 50 Ом; Я13 - 8.2 кОм; Я14 - 50 Ом.

мощью резистора Я9. При работе усилителя на несогласованную нагрузку отраженный сигнал детектируется детектором на диоде УБ3 и, открывая транзистор УТ2, приводит к уменьшению уровня ограничения входного сигнала. Порог срабатывания защиты от рассогласования с нагрузкой регулируется выбором номинала резистора Ю3. Стабилитрон У01 обеспечивает ограничение сигнала управления током потребления транзистора УТ4.

Макет ПУМ по схеме на рис. 5 имел следующие технические характеристики: полоса рабочих частот 200...230 МГц; малосигнальный коэффициент усиления 12.5 дБ; выходное сопротивление генератора и сопротивление нагрузки 50 Ом; максимальное значение выходной мощности 40 Вт; мощность, потребляемая от источника питания (при максимальной выходной мощности), 70 Вт; мощность входного сигнала (при максимальном значении выходной мощности) 3.6 Вт; коэффициент полезного действия в режиме максимальной выходной мощности 54 %.

На рис. 6 приведена амплитудная характеристика рассматриваемого однокаскадного ПУМ (кривая Г), где ивх эф , ивых эф - эффективные значения входного и выходного напряжений соответственно.

На рис. 7 приведена принципиальная схема ПУМ по рис. 5, в котором транзистор УТ4 работает в режиме класса В благодаря использованию стабилизатора напряжения базового смещения, выполненного на транзисторах УТ3 и УТ5 [4]3.

Макет ПУМ по схеме рис. 7 имел следующие технические характеристики: полоса рабочих частот 200.230 МГц; малосигнальный коэффициент усиления 7 дБ; сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом; максимальное значение выходной мощности 40 Вт; мощность, потребляемая от источника питания (при максимальном значении выходной мощности), 70 Вт; мощность входного сигнала (при максимальном значении выходной мощности) 11 Вт; КПД в режиме максимальной выходной мощности 49 %. Амплитудная характеристика этого ПУМ представлена на рис. 6 (кривая 2).

Таким образом, для повышения КПД полосовых усилителей мощности, выходные каскады которых имеют малый коэффициент усиления, представляется целесообразным в этих каскадах использовать режим класса А. Предлагаемое схемное решение построения таких усилителей обеспечивает возможность их работы на несогласованную нагрузку в условиях перегрузки по входу. Благодаря повышению коэффициента усиления каскада при переходе к режиму класса А появляется дополнительная возможность в 1.5-2 раза

3 Параметры элементов схемы (рис. 7): УБ1 - КД509А; УТ1 - КТ814Б; УТ2 - КТ315Б; УТ3 - КТ817А; УТ4

- КТ931А; УТ5 - КТ817А; С1 - 39 пФ; С2 - 30 пФ; С3 - 10 мкФ, С4 - 91 пФ; С5 - 0.1 мкФ; С6 - 18 пФ; С7, С8

- 0.1 мкФ; С9 - 100 мкФ; Ь1 - 15 нГн; Ь2 - 3 нГн; Ь3 - 200 нГн; Ь4 - 1 мкГн; Ь5 - 5 нГн; Ь6 - 24 нГн; Ю -8.2 кОм; Я2 - 470 Ом; Я3 - 1 кОм; Я4 - 27 Ом; Я5 - 24 Ом; Я6 - 470 Ом; Я7 - 220 Ом; Я8 - 56 Ом; Я9 -220 Ом; Ю0 - 2 кОм; Ю1 - 50 Ом; Ю2 - 8.2 кОм; Ю3 - 50 Ом.

Рис. 6

Я1

Я7

УТ2

Я2

ЯЗ

Я5

УТ1

Я6

УТЗ

Вход

С1

^ТТХ

сз :

Я4

Ь2

Я9

Я8

Я10

С8

чь

УБ1 Ж

С5

ь

УТ5

Я11

.ЬЗ

*Ь4

ч

С9

Т +17 В

Я12

Я13

УТ4

Ь5

-Г^ГЛ__г^г^

Ь6

С7

Ь1 С С2

С4

С6

Ж

НО

7

Выход

Рис. 7

увеличить верхнюю рабочую частоту разрабатываемого полосового усилителя мощности при использовании заданного транзистора.

Библиографический список

1. Павлов В. Н., Ногин В. Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. М.: Горячая линия -Телеком, 2001. 320 с.

2. Проектирование радиопередатчиков / В. В. Шахгильдян, М. С. Шумилин, В. Б. Козырев и др.; Под ред. В. В. Шахгильдяна. М.: Радио и связь, 2000. 656 с.

3. Гребенников А. В., Никифоров В. В. Транзисторные усилители мощности для систем подвижной радиосвязи метрового и дециметрового диапазонов волн // Радиотехника. 2000. № 5. С. 83-86.

4. Титов А. А., Ильюшенко В. Н. Транзисторные усилители мощности с повышенными энергетическими характеристиками. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2004. 286 с.

5. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника / Пер. с нем. М.: Мир, 1990. 256 с.

6. Пат. РФ № 2217861. МПК 7 Ы03Н/52. Устройство для защиты усилителя мощности от перегрузки / А. А. Титов, В. Н. Ильюшенко. (РФ). Опубл. 27.11.03. Бюл. № 33.

7. Титов А. А., Ильюшенко В. Н. Защита усилителей мощности систем радиосвязи, УКВ ЧМ и ТВ-вещания от перегрузки по входу и от рассогласования по выходу // Радиотехника. 2003. № 12. С. 66-69.

8. Свид. на полезную модель РФ № 21703. Широкополосный усилитель мощности с автоматической регулировкой потребляемого тока / А. А. Титов, В. Н. Ильюшенко (РФ). Опубл. 27.01.02. Бюл. № 3.

9. Титов А. А. Сверхширокополосные усилители мощности. Эффективность автоматической регулировки режима класса А // Электроника. 2003. № 4. С. 32-35.

10. Титов А. А. Расчет схемы активной коллекторной термостабилизации и её использование в усилителях с автоматической регулировкой потребляемого тока // Электронная техника. Сер. СВЧ-техника. 2001. Вып. 2. С. 26-30.