CC BY
151
УДК 621.38
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ КЛАССА Е А.Ф. Шит
Приводятся результаты проектирования усилителя мощности класса Е
Ключевые слова: усилитель мощности класса Е, коэффициент полезного действия, согласующая цепь
Введение
Микроволновые усилители находят широкое применение в различных телекоммуникационных приложениях.
Важными параметрами усилителей класса Е являются коэффициент усиления по мощности и уровень собственных вносимых шумов. Усилители класса Е характеризуются высоким коэффициентом усиления по мощности и низким коэффициентом шума. Малошумящие усилители класса Е в основном применяются в радиоприемных устройствах с высокой чувствительностью для усиления слабых сигналов в усилителе высокой частоты, который включается за преселектором. Усилитель с высоким коэффициентом усиления используют в радиопередающих устройствах, в которых требуется большая мощность для передачи сигнала на большие расстояния.
Разработка усилителя мощности класса Е
Успехи в развитии современных технологий М08БЕТ, в частности, полученные при разработке транзисторов типа ШР530, привели к тому, что они соответствуют требованиям, необходимым для разработки высококачественного усилителя мощности класса Е.
В соответствии с уравнением 1, максимум мощности, которая может быть получена на нагрузке усилителя, определяется следующим образом:
Рвых=0.5768VDD/RL=13.84W.
(1)
Это соотношение получено в работе [2].
Рассмотрим возможности увеличения мощности на выходе усилителя. Можно показать, что качество усиления достигается, например, уменьшением значения
сопротивления нагрузки с типового значения 24 Ома до значения 15 Ом. Поскольку при этом произойдет рассогласование по сопротивлению между выходным сопротивлением транзистора
Шит Амер Фархан - ВГТУ, аспирант,
и сопротивлением нагрузки, то необходимо применить дополнительную согласующую цепь, состоящую из индуктивности ^), и емкости (С), как показано на рис. 1. Рассчитать значения соответствующих реактивных сопротивлений (Хт) и (Хс) можно следующим образом:
хи=^*^вд-1,
Хс^/^/^')-1).
.______ГУЛ^УЛ_
(1) и
(2)
(3)
(2)
К-'т
К-Т
тел. 8-952-541-31-93
Рис. 1. Согласующая цепь
Для типовых значений параметров усилителя рассчитанные величины указанных реактивных сопротивлений равны
соответственно
Хи=11,620 и Хс= 31 О.
Полученные цифровые результаты объясняются тем, что значение емкости выхода транзистора (ШР530) равно (270рБ), а граничная частота определяется по следующей формуле: Бшах = 0.1836/2лКтСшт
Путем компенсации эффективного сопротивления нагрузки (^) получаем, что частота работы усилителя расширяется до пределов (5,2 МГц-2.5МИе) при добавлении параллельно выходу транзистора с емкостью (С0) добавочной емкости(С0 (100рР-500рБ).
Целью добавления параллельной емкости является корректировка импульса тока в процессе работы усилителя класса Е. Стоит отметить, что для работы была выбрана частота (3 МГц) по следующим причинам: отсутствие источников питания в усилителе
(они заменены генератором сигнала типа “меандр”; наличие готовых микросборок
конструкций усилителей класса Е в диапазоне частот (3,9 МГц-2 МГц);
возможность получения высокой
эффективности устройства.
Технологически изготовление индуктивных
элементов на этих частотах оказывается трудным и сложным, поэтому рассмотрим другой путь достижения поставленной цели. Значения индуктивностей и емкостей (Т1) и (С^ на частоте (3 МГц) можно рассчитать
следующим образом:
XLt=2nf Lt= 11,620 (4)
Lt=0.61^H Xc=1/2nfCt=31Q (5)
Ct = 1.7nF
Для широко распространенных транзисторов типа (IRF530) со входной емкостью (Ст = 800рБ) на частоте (3 МГц) значение емкостного сопротивления можно найти из уравнения:
Хс = 1/2л£Ст
После подстановки имеем
ХС = 66,3 Ом.
Из указанного уравнения определим требуемую индуктивность:
к 1/40£2Ст
Примем значение (Т3) равным:
= 3.47цИ
Следующие два уравнения применим аналогично для расчета значения требуемой добавочной емкости (С1):
С = 0.1836/2^
С1 = 379 р Б
Следующие уравнения поясняют расчет значения дополнительной индуктивности (Тх):
ТХ= ХТ/2^ = 1. 152RL/2лf
Тх = 0,9 цИ
Таким образом, можно вычислить значение (L1) из следующего соотношения:
L1=20.L2. (6)
С учетом уравнения (1) и компенсации вносимых сопротивлений имеем расчетное значение выходной мощности
Рвых = 22,15 Вт
Из уравнения:
tan9 = 2 / (п +2 ®CRon), зная значение входного сопротивления транзистора (Ron), получаем, что фазовый сдвиг:
Ф = -32,636 °
Значение параметра а можно найти, используя уравнение:
VCq = Ii/люС [п sin2 ф + ф 4sin cos ф + (п) / 2 +2 ®CRon sin2 ф ]
откуда:
а = 0,57.
Используя уравнение:
Vdd = 1/2п П/юС у
с учетом того, что значение параметра (у) равно:
Y = 1,1, имеем уравнение
для выходной мощности:
Рвых = 1/2Rl I12 = V 2 dd / Rl 2а 2 / у 2.
Расчетное значение выходной мощности
оказывается равным:
Рвых = 20,62 Вт.
При этом из уравнения:
П d = Рвых / Pdc =- 1/sin ф * а / у = 1,862 а / у, определяем, что КПД равно: n d = 96,55%.
Путем моделирования в программной среде (SIMetrix) нами проведены исследования влияния параметров усилителя на его качество. Суть моделирования заключалась в
следующем.
1. Рабочий цикл
Воспроизводился цикл усиления, при этом изменялись
значения рабочего цикла (Б) путем увеличения или уменьшения значения внутренней емкости транзистора (Со) через следующее соотношение:
Со=Сйк+С8а[1+(У1П,тах (1+с08(лБ))/(Уоз,тах)] (7)
Заметим, что это уравнение, получено для случая синусоидального входного сигнала вместо прямоугольного входного сигнала типа “меандр”.
Следует отметить, что увеличение или уменьшение емкости (С0) приводит как к увеличению потребляемой мощности (РБ), так и к уменьшению выходной мощности (Р0щ). В обоих случаях это приводит к снижению КПД, в соответствии со следующим уравнением:
Пв=1/(1+Рв/Рои0 (8)
Рис. 2 иллюстрирует влияние параметра (Б) на КПД на частоте (3 МГц) для различных значений добротности (00. Результаты получены с помощью программы моделирования (81Ме1пх). Анализ
приведенных на рисунке данных показывает, что максимальная эффективность (при наибольшем КПД)может быть получена при значении (Б), равном (0,5).
І- : -> (21_=2 01=6 -01=10
X
'К / N
і
//' V'
Т і \ 'V
/ '' і
; Г Ль
/ :
\
о
Рис. 2. Влияние( Б) на КПД в зависимости от добротности (0Т)
2.Влияние частоты: В следующей таблице приведены значения параметров цепи
согласования выхода на частоте (3 МГц) для нескольких значений добротности (00. Значение параметра (Б = 0,5).
дь Сі№) С2^) Ь2(цЫ) Ь2(цЫ) Eff. (П)%
2 507 1770 1.6 32 96.8
4 435 883 3.18 64 96.7
6 408 588 4.77 96 96.2
8 392 441 6.36 128 96.1
10 381 353 7.96 160 95.9
Таким же образом были рассчитаны значения корректирования схем на частотах (4 МГц) и (5 МГц). Результаты исследований приведены на рис. 3. Они также характеризуют зависимость КПД от добротности на разных частотах для оптимального значения параметра (О).
Рис. 3. Зависимость КПД от добротности на различных частотах
3. Влияние коэффициента искажения (Б. Б):
Этот фактор является мерой искажения формы выходного сигнала, зависит от линейности усилителя и изменяется от (0%) (нет искажений) до (100%). Он вычисляется посредством следующего соотношения:
Б.Р=^(!пУ2п)/У:*100%, п = 2,3,4,..(9)
где
Уп: амплитуды гармоник основной частоты,
Уь значение амплитуды основной
гармоники напряжения.
Рис. 4 иллюстрирует соотношения между
добротностью (00 и коэффициентом
искажения (Б.Б) на частоте (3 МГц). Из анализа полученных результатов следует, что
увеличение добротности приводит к снижению коэффициента искажений.
Чтобы снизить коэффициент искажений, нужно уменьшить уровень гармоник до уровня шумов.
Рис. 4. Влияние добротности (0Ь) на коэффициент искажений (Б.Б)
Из анализа полученных результатов следует, что увеличение добротности приводит к снижению качества сигнала по параметру коэффициент искажений.
Качество сигнала в основном определяется значением первой гармоники и это приемлемая практика при проектировании усилителя, поэтому применим этот подход для оценки влияния добротности (00 на качество работы усилителя, исходя из данных, приведенных на рисунке (4).
На основании этого, что уже было выбрано значение добротности (0ь = 6), что дает высокую эффективность и соответствует неискаженной форме сигнала. Из предыдущей таблицы, мы находим соответственные добротности (0ь = 6) значения параметров цепи, а именно (Ь2, С2), Оптимизированная путем моделирования цепь имеет следующие значения параметров элементов:
= 4,77 цИ
С2 = 588 рБ Ь = 9,6 цИ С: = 408 рБ Ьх = 0,9 цИ
Найдем значение КПД на выходе усилителя (на стоке транзистора). Для значения добротности (0ь = 6), она равна (пБ = 96,2%), а
значение коэффициента нелинейных искажений при этом соответствует (Б.Б = 5,8%).
Емкость (С1) имеет большое влияние на качество работы усилителя, а именно на режим работы транзистора. Правильный выбор номинала этой емкости позволяет защитить транзистор от перенапряжений, в тех случаях, когда на него поступают кратковременные сигналы высокой амплитуды во время рабочего цикла усиления. Таким образом, при надлежащем выборе указанной емкости даже при воздействии мощных сигналов на транзистор их влияние не приводит к увеличению тока в транзисторе, что защищает его от нежелательных повреждений.
Рис. 5 иллюстрирует зависимость
максимального напряжения и импульса тока транзистора от дополнительной емкости (С1), подключенной к его выходу параллельно. Из этого рисунка видно, что максимальные напряжения до (160В) соответствуют емкостиа (С1 = 100 пФ), а максимальный импульс тока (18А) появляется, когда (С1 = 5пБ).
Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют сформулировать вывод о том, что проектирование усилителя мощности класса (Е) с высоким КПД и высокой мощностью выходного сигнала, является реальной задачей во многих практически важных приложениях.
При этом следует отметить, что эта задача решена в теоретическом и практическом плане применительно к усилителям низких частот.
Рис. 5. Зависимость максимального
напряжения и тока, проходящего через транзистор, от значения дополнительной параллельной емкости (С1): А) 100 рБ В) 400 рБ С) 600 рБ Б) 1пБ Б) 5пБ
Литература
1. N.O. Sokal and Alan D. Sokal, "Class E-A New Class of High Efficiency Tuned Single Ended Switching Power Amplifiers" , IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC10, NO. 3, pp 168-176, June 1975 .
2. M. Y. Thanoun, "Design and Implement of Broadband VHF Power Amplifier" M.Sc. thesis, University of Mosul, Oct. 2001.
3. Philips Semiconductors, " consederations on Efficiency of the RF Power Transistors in the Different Classes of Operation" , Philips Electronics N.V. 1998,
http://www.semiconductors.philips.com________Access on
07.11.2004
4. M. J. Chudobiak, "The use of parasitic
nonlinear capacitors in Class-E amplifiers, " IEEE Transactions on Circuits and Systems-I, vol. 41, pp. 941-944, Dec. 1994.
5. http://www.avtechpulse.com/papers/classe, Access on 07.11.2004
6. M. K. Kazimierszuk, K. Puszko, " PowerOutput Capability of Class E Amplifier at Any Loaded
Q and Switch Duty Cycle" , IEEE Transactions on
Circuit and System, vol. 36, pp. 1124-1143, Aug. 1989.
7. J. Ebert and M. K. Kazimierszuk, " Class E High-Efficiency Tuned Power Oscilator" , IEEE Journal of Solid State Circuits, Vol. SC-16, No. 2, pp. 62-65, April 1981.
8. H. Sekiya, I. Sasase and S. Mori, "Computation of Design Values for Class E Amplifiers Without Using Waveform Equations", IEEE Transaction on Circuit and System-I, Fundamental Theory and Applications. Vol. 49, pp. 966-978, No. 7, July. 2002.
9. D. K. Choi and S. I. Long, "The Effect of Transistor feedback Capacitance in Class-E Power Amplifiers" , IEEE Transaction on Circuit and System-I , Fundamental Theory and Application, Vol.49, pp. 1556-1559, No. 12, Dec. 2003.
Воронежский государственный технический университет
DESIGNING OF CLASS "Е" POWER AMPLIFIER A.F. Sheet
Results of designing of the power amplifier of class E are resulted Key words: the power amplifier of class E, efficiency, according chain
