КЛЮЧЕВОЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
KEY POWER AMPLIFIER

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ-диапазона.
Известен усилитель мощности, работающий в ключевом режиме, который назван классом «Е». (См. Sokal N.O., Sokal A.D. Class E - a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers // IEEE Jour, of Solid-State Circuits, Vol.SC-10, No. 3. June 1975, P. 168-176). Такой режим работы обеспечивает усилителю КПД, теоретически равный 100%. Усилитель (см. фиг.1) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его конденсатор, последовательный LC- контур, активную нагрузку и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ-цепей по питанию.
max
Недостатком данного усилителя класса «Е» является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f вычисляется по формуле: .
ds
max
ds
Здесь и далее V - напряжение источника питания усилителя, I - максимальное значение тока ключа, C- линейная выходная емкость ключа.
r
f
Известен усилитель мощности, работающий в режиме класса «Е» с шунтирующей ключ индуктивностью. (См. Kazimierczuk М. Class Е tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No. 1. February 1981. P.2-7). Усилитель (см. фиг. 2) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую его индуктивность L, последовательный LC - контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.
max
Недостатком известного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f вычисляется по формуле: .
ds
max
Здесь и далее I - постоянная составляющая тока усилителя, V - максимальное значение напряжения ключа.
0
0
Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром. (См. Grebennikov A.V., Jaeger H. Class E with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1, P.1627-1630). Усилитель (см. фиг. 3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.
max
Недостатком этого устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f вычисляется по формуле: .
ds
ds
max
ds
Здесь выходная мощность Р=IV (при КПД=100%), а I=2,647I.
0
0
бл
К
К
Н
Кроме того, известен усилитель мощности класса «Е» с шунтирующей ключ емкостью. (См. Рис.2.19 б) в книге: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). Усилитель (см. фиг. 4) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую ключ емкость С, которая образует с индуктивностью L формирующий контур, блокировочный (разделительный) конденсатор С, фильтрующий параллельный LC-контур, активную нагрузку R и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ-цепей по питанию.
max
Недостатком данного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f вычисляется по формуле: , которая получена, используя выражение (1.55) и Таблицу 2.1 в указанной выше книге.
1
бл
2
ds
Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является усилитель мощности (См. патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.). Данный усилитель также работает в классе «Е», а его схема является дуальной по отношению к классической схеме усилителя Sokal N.O. и Sokal A.D. Усилитель (см. фиг.5) содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L разделительный конденсатор C, параллельный LCR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V с дросселем Др для развязки ВЧ-цепей по питанию.
max
Недостатком устройства-прототипа является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота f вычисляется по формуле: .
Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в повышении максимальной частоты его работы при максимально возможном КПД.
1
бл
2
1
2
1
2
L
S
1
2
1
1
2
бл
Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является его общей точкой и общей шиной усилителя в целом, первую индуктивность L, которая одним выводом подключена к выходу активного ключевого элемента, а другим через дроссель - к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с общей шиной усилителя, блокировочный конденсатор C и параллельно соединенные вторая индуктивность L, первый конденсатор С, активная нагрузка R, которые образуют параллельный LCR-контур, один общий вывод которого является выходом усилителя, а второй - подключен к общей шине усилителя, величина индуктивности L определена формулой:  где Q - добротность нагруженного контура, ω - угловая частота входного сигнала, согласно изобретению между выходом усилителя и общей точкой первой индуктивности L и дросселя введен второй конденсатор С, который вместе с первой индуктивностью L образует последовательный формирующий LC-контур, блокировочный конденсатор C подключен между общей шиной усилителя и первой клеммой источника питания, а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:
,
,
,
,
ds
где V - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.
1
2
2
1
ds
бл
Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.6. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательный к ключу LC-контур, параллельный LCR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V с дросселем Др и блокировочным конденсатором C для развязки ВЧ-цепей по питанию.
R
R
0
ds
S
S
0
S
ds
C
2
C
ds
1
L
S
C
R
0
S
S
1
L
C
R
L
C
Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.7. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение V(θ) на резисторе R имеет вид: V(θ)=aVsin(θ+φ), где θ=ωt, ω - угловая частота входного сигнала, t - текущее время, а а и φ - определяемые ниже величины. Когда ключ разомкнут (во время 0≤θ<π), ток через ключ I(θ)=I-I(θ)=0, следовательно, через конденсатор С протекает ток I(θ)=I. Поскольку при 0≤θ<π ток через ключ не протекает, напряжение на индуктивности L отсутствует: V(θ)=0. Тогда напряжение на ключе V(θ)=V(θ)+V(θ), а напряжение на конденсаторе , где A вычисляется из начального условия: V(θ)=0 при θ=0. В результате при 0≤θ<π . Во включенном состоянии (π≤θ<2π) напряжение на ключе V(θ)=0, тогда напряжение на индуктивности L-V(θ)=V(θ)+V(θ) можно записать в виде: . Здесь  вычисляется из начального условия V(θ)=V(θ) при θ=π. Полученное уравнение может быть представлено в форме дифференциального уравнения второго порядка:  с общим решением вида:
,
1
1
ds
2
2
ds
1
2
0
1
2
где , A=aI, A=aI, а a и a - некоторые константы, определяемые ниже. Для того чтобы найти неизвестные константы: q, a, а, a и φ, необходимы пять уравнений:
,
,
,
,
.
ds
S
S
S
S
Уравнения (2) и (3) являются начальными условиями. Уравнение (3) - условие для постоянной составляющей тока I, выраженного через ряд Фурье. А выражения (5) и (6) являются основными условиями оптимальной работы данного усилителя в классе «Е». Последние два условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты выключения напряжение V(θ) и ток, протекающий через ключ, I(θ) не могли иметь существенные значения одновременно, а их произведение I(θ)V(θ) было равно нулю.
В результате численное решение системы из пяти уравнений с пятью неизвестными дает следующие значения:
ds
0
Если к уравнению (11) добавить условие для постоянной составляющей напряжения V, выраженного через ряд Фурье - , то можно вычислить a:
ds
ds
Именно при таких значениях констант (7)-(10), (12) на фиг.7 и построены эпюры напряжений и тока, нормированные на величины V и I. Формулы для основных волновых форм можно переписать в виде:
Полученные уравнения (14), (15) являются дуальными по отношению к волновым формам для усилителя в классе «Е» с параллельным к ключу формирующим контуром. (См. генератор: Козырев В.Б. Однотактный ключевой генератор с фильтрующим контуром. - В кн.: Полупроводниковые приборы в технике электросвязи. Под ред. И.Ф.Николаевского. - М.: Связь, 1971 - Вып. 8. - С.152-166 и аналогичное ему устройство: Grebennikov A.V., Jaeger Н. Class Е with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1. P.1627-1630). Следовательно, предлагаемая схема является дуальной по отношению к обеим схемам.
S
R
X
Если разложить напряжение V(θ) в ряд Фурье, то его активная V и реактивная V амплитуды могут быть найдены из выражений:
S1
S1
Тогда фазовый угол между током основной частоты I(θ) и напряжением V(θ) равен:
0
1
2
1
2
Учитывая найденные значения q=1,412, a=1,211 и то, что фазовый угол может быть представлен как функция элементов выходной цепи - , можно получить оптимальные величины элементов L, C, R формирующего LCR-контура:
2
L
2
1
1
Учитывая, что величина индуктивности L определена через добротность Q нагруженного фильтрующего LC-контура в виде: , то величину С можно найти по формуле:
ds
ds
max
max
max
ds
max
ds
Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (17)-(20), то в усилителе в полной мере будет реализован режим работы класса «Е». Если при этом считать активный ключевой элемент идеальным, то в таком усилителе может быть получен 100%-ый КПД, a P=IV. Вычисляя при помощи уравнений (14) и (15) пиковые значения тока I и напряжения V:I=3,647I V=2,647V, из уравнений (17) - (19) может быть определена максимальная частота работы усилителя в таком оптимальном режиме в двух равнозначных видах:
ds
max
ds
ds
2
max
ds
1
ds
max
max
2
1
2
1
2
max
max
ds
ds
max
max
max
2
ds
max
2
ds
max
Поскольку выходной импеданс всех транзисторных ключей носит емкостной характер, именно величина выходной емкости ключа C в параллельной (или последовательной) выходной цепи дает основное ограничение на рабочую частоту большинства усилителей класса «Е». Например, для повышения f в схемах усилителей класса «Е» Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D. невозможно установить величину выходной емкости, меньшую C. В предлагаемом же устройстве выходная емкость ключа C не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость формирующего контура. Фактически величина С в формуле (21) уменьшается, а f дополнительно увеличивается. Выходная емкость ключа С здесь может быть также полностью скомпенсирована и при помощи индуктивности L. Таким образом, в предлагаемом усилителе выходная емкость ключа C (в выходной цепи последовательного типа) в работе формирующего контура не участвует, a f ею не ограничивается. Здесь частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» f может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как для уменьшения величин С и L в формулах (21) и (22) нет никакого практического предела. Уменьшение C и L ограничиваются только возможностью их практической реализуемости. Хотя величина емкости С и может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения f предлагаемого усилителя и f известных устройств (схем Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D.) выберем ее равной С. Если дополнительно напряжение питания и максимальный ток ключа в предложенном устройстве выбрать такими же, как и V, I в схемах Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D., то по числовым коэффициентам в формулах для f можно судить об отличии f этих устройств. Эти коэффициенты следующие:  и  - для известных устройств и  - для предлагаемого усилителя. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С выбрана равной С, максимальная частота предлагаемого усилителя выше в 1,45 и 2,47 раза по сравнению с f рассмотренных аналогов (схемы Козырева В.Б. и схемы Sokal N.O. и Sokal A.D.). Очевидно, что, если величину C выбрать меньшей С, то отличие f этих устройств будет еще больше.
max
max
0
ds
ds
2
max
2
1
2
ds
ds
max
max
2
ds
max
2
ds
max
Сравним f предлагаемого усилителя и f устройства (См. книгу: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). В данном аналоге также невозможно установить величину выходной емкости С (См. фиг.4), меньшую С. Вместе с тем, в предлагаемом устройстве выходная емкость ключа С не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость С формирующего контура. Это значит, что частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» f здесь может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как величины С и L в формулах (21) и (22) могут быть уменьшены до тех значений, которые в принципе могут быть реализованы на практике. Хотя и величина емкости C может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения максимальных частот предлагаемого усилителя и схемы Артыма А.Д. выберем ее равной С. Если, кроме этого, в обоих усилителях V и Iвыбрать одинаковыми, то по числовым коэффициентам ( и ) в формулах для f можно также судить об отличии максимальных частот этих устройств. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С выбрана равной С, f предлагаемого усилителя выше в 1,33 раза. На практике же величина С может быть выбрана меньшей С, тогда отличие f этих устройств будет еще больше.
max
mах
1
ds
max
max
max
max
Для того чтобы сравнить f предлагаемого усилителя с максимальными частотами других известных устройств (См. Kazimierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No. 1. February 1981, P.2-7 и патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.), используем равнозначную (21) формулу (22) для f. Выберем величины L (См. фиг.2) и L (См. фиг.5 и 6) одинаковыми и одновременно сколь угодно малыми, так как они все в равной степени ограничены снизу. Если дополнительно ток потребления и максимальное напряжение на ключе в предложенном устройстве выбрать такими же, как и I, V в прототипе и усилителе Kazimierczuk M., то по числовым коэффициентам ( и ) в формулах для f также можно судить об отличии f этих устройств. Следовательно, по сравнению с максимальными частотами рассмотренного аналога и прототипа f предлагаемого усилителя здесь выше в 1,71 раза.
Таким образом, оптимальный режим класса «E» в предлагаемом усилителе по сравнению с известными устройствами может быть обеспечен на более высоких частотах.
Пример конкретного выполнения устройства.
ds
L
1
2
1
2
1
1
2
3
S
1
1
1
1
2
2
бл
2
2
ds
ds
ds
Усилитель мощности выполнен на LDMOSFET транзисторе типа MRF282S фирмы Motorola (сейчас Freescale Semiconductor). Усилитель работает на частоте 920 МГц. Если выбрать V=20,0 В, Р=10 Вт и Q=5, то расчетные значения элементов усилителя следующие: L=3,5 нГн, C=4.3 пФ, С=1,2 пФ, L=25,4 нГн, R=29.3 Ома. Индуктивность L и емкость С пересчитывались в отрезки микрополосковых линий передач, реализованных на подложке из АlО-керамики с диэлектрической проницаемостью 9.8. Пересчет производился при помощи известных формул: , . Здесь f=ω/2π, ,  и ,  - электрические длины (в градусах) и волновые сопротивления микрополосковых линий передач, которые соответствуют индуктивности L емкости С. Если для пересчета L и C выбрать =50 Омам и =40 Омам, то =23.2° и =15.9°. Отсюда нетрудно найти длины микрополосков  и , где ,  - длины волн в соответствующих микрополосковых линиях передач. Индуктивность L=25,4 нГн, емкость С=4,3 пФ, C=1000 пФ и дроссель Др с индуктивностью 250 нГн в макете усилителя удобно выполнить в виде сосредоточенных элементов. Следует отметить, что здесь величина С выбрана большей 4,3 пФ (С=10 пФ) для того, чтобы скомпенсировать выходную емкость ключа C (в выходной цепи последовательного типа). Выходная емкость ключа C (в цепи последовательного типа) составляет 10-12 пФ при той настройке входной цепи, которая использована в предлагаемом макете. Для оценки C здесь использована методика, предложенная в работе Баранова А.В. «Дуальные СВЧ-усилители мощности в классе «Е»». - Радиотехника, 2007, №3, с.71-78. Все элементы были реализованы в макете усилителя (См. фиг.8). Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (0,3-0.6) В меньше, чем напряжение отпирания транзистора. Кроме того, уровень входного сигнала был выбран таким, чтобы транзистор работал в режиме насыщения. Эти условия необходимы для того, чтобы транзистор ближе соответствовал идеальному ключу.
вх
ds
ds
Были измерены основные характеристики разработанного усилителя. При входной мощности P=0,25 Вт, напряжении питания V=20,0 В и токе потребления I=0,51 А получено максимальное значение КПД по добавленной мощности, КПД=71.1%. Соответственно стоковый КПД данного усилителя получается несколько выше и равняется 73.5%. При этом уровень выходной мощности Р составил 7,5 Вт.
max
Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях повышенной мощности СВЧ-диапазона. А сравнение числовых коэффициентов в формулах для максимальной частоты работы предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что f в предложенном усилителе в 1.71 раза выше самых высокочастотных аналогов и прототипа, в частности.