Экспериментальные результаты исследования усилителя мощности класса Е

УДК 621. 38

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ КЛАССА Е Шит Амер Фархан

В статье приводятся результаты экспериментального исследования и моделирования усилителя мощности класса Е. Получены зависимости коэффициента полезного действия усилителя от мощности входного сигнала. Исследованы спектральные характеристики усилителя

Ключевые слова: усилитель мощности класса Е, коэффициент полезного действия, параметры и характеристики усилителя мощности

Введение

Перспективными направлениями совершенствования усилителей мощности в последние годы являются не только расширение сферы их применения (от традиционной радиотехники до медицины) и микроминиатюризация, но и улучшение коэффициента полезного действия и снижение стоимости. По результатам анализа всех известных типов усилителей и режимов их работы можно разделить их на два типа:

1. Традиционные усилители мощности классов А, В, С.

2. Усилители, имеющие различные модификации ключевого режима работы (режимы Б, Е).

Усилители последнего типа имеют ряд преимуществ. Рассмотрим их особенности и преимущества на примере новых перспективных усилителей класса Е. Подробное описание усилителей класса Е приведено, например, в работах [1, 2, 3]. Они характеризуются простотой схемы и применением МОБ-8ЕТ-транзистора, управляемого генератором импульсов. Главное их достоинство - значительно более высокий по сравнению с традиционными усилителями коэффициент полезного действия.

Схема, конструкция и результаты экспериментального исследования усилителя

В предыдущей нашей статье [4] приводятся результаты проектирования усилителя мощности класса Е для широкого применения в радиотехнических устройствах в области низких частот. Принципиальная схема усилителя приведена на рис. 1.

Параметры всех элементов усилителя мощности класса Е, представленного на рис. 1, получены в результате расчета и оптимизации по критерию минимума потерь полезной мощности.

На рис. 2 приведена фотография макетного образца усилителя, прошедшего испытания и подтвердившего его высокую энергетическую эффективность.

Отличительной особенностью усилителя мощности класса Е является его способность предотвращать дрейф рабочей точки, в результате чего обеспечивается оптимальное с энергетической точки зрения положение рабочей точки на вольт-амперной характеристике усилительного элемента в

Шит Амер Фархан - ВГТУ, аспирант, тел. 8(473) 243-77-06

течение двух различных этапов ключевого процесса усиления мощности полезного сигнала. Кроме того, появляется практическая возможность путем изменения формы тока и напряжения уменьшить протекание тока через транзистор во время отсутствия полезного сигнала на входе усилителя. Такая возможность обеспечивает уменьшение потерь мощности и поэтому значительно увеличивает КПД усилителя данного типа. Принцип работы такого усилителя иллюстрируется эпюрами тока и напряжения, приведенными на рис. 3. Этот рисунок представляет две полуволны тока и напряжения в цепи усилителя класса Е с высоким КПД. Кривые получены путем моделирования цепи в моделирующем программном пакете 81Ме1пх.

На рис. 4 показаны те же зависимости тока и напряжения на экране осциллографа, полученные при экспериментальном исследовании указанного выше макетного образца усилителя. Сравнение кривых показывает хорошую сходимость результатов моделирования и эксперимента. Таким образом, полученные результаты соответствуют ожидаемым формам тока и напряжения в течение цикла усиления сигнала в ключевом усилителе, отличающемся отсутствием дрейфа транзистора. При отсутствии полезного сигнала ток через транзистор практически не протекает. Потери энергии от источника минимальны, поскольку за счет управления транзистора специальным тактовым генератором одну половину периода усиления ток максимален, а напряжение близко к нулю, в другую половину периода ток и напряжение меняются местами. В результате рассеиваемая на транзисторе мощность минимальна.

Анализ экспериментальных данных исследования усилителя позволил установить следующее:

1. Входная мощность влияет на КПД источника: рис. 5 показывает соотношение между КПД источника питания и мощностью сигнала на входе усилителя. При ограничениях на потребляемую мощность это соотношение имеет большое значение. Оно позволяет определить рассеиваемую в транзисторе мощность (которая нагревает его). Приведенные на рис. 5 результаты подтверждаются как путем моделирования, так и экспериментом. Анализ приведенных графиков показывает, что эффективность источника питания остается высокой при широком диапазоне изменения входных сигналов.

Кроме того, КПД достигает максимального

значения nD = 90.9 % при определенном значении мощности на входе Pin = 870 mW и на выходе Pout = 15 W и уменьшается до уровня nD = 90 % при мощности входа Pin = 550 mW и мощности выхода Pout

= 18 W. Уменьшение КПД до уровня nD = 93.3 % соответствует входной мощности Pin = 800 mW и выходной мощности Pout = 21 W.

с Г

bypass —I—

100 nF

I

96цЛ

IRF530

Ls

JTVYV

©

3.47|_lH

Vs

_____ C2 Lx Lt

/VTVV| |_^/yYYY_e_A/YV\.

4.7 pH 588pF О.РцН 0.61 цН

408pF

C,=

1.7 nF

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя класса E

Рис. 2. Фотография экспериментального макетного образца усилителя, собранного по схеме рис. 1

h

E

2!

3

Т1гте^5есг Ш0г5ес5Й1у

Рис. 3. Форма тока и напряжения в цепи усилителя в режиме дрейфа транзистора

Рис. 4. Фотография экспериментальных кривых формы тока и напряжения в усилителе класса Е

в режиме дрейфа транзистора

Из результатов (рис. 5) следует также, что усилитель требует подачи сигнала запуска, начиная с некоторого уровня которого он входит в нужный режим. Этот начальный уровень составляет 300 mW и объясняется это тем, что транзистор такого типа не работает при уровнях входного сигнала менее указанного значения. Отметим также, что КПД источника в режиме тока покоя nD увеличивается с увеличением входной мощности до значения Pin = 800 mW (это оптимальное значение), затем КПД

снижается, так как увеличение входной мощности влечет увеличение рассеиваемой на транзисторе мощности. Это означает снижение КПД в соответствии с выражением:

1

nD =-------^

1 + —^

P

out

Pojt=15W

Pin

А

Pout=18W

Pin (mW) В

Pout=21W

Pin

С

Рис. 5. Соотношения между входной мощностью рт и КПД источника Пб при выходной мощности Рои1;

2. Выявлена зависимость выходной мощности от КПД: это важное соотношение иллюстрируется рис. 6. На рисунке разными линиями выделены зависимости, полученные путем аналитических расчетов, путем моделирования и путем эксперимента. Использование этих соотношений важно на практике при проектировании усилителей. Данные показывают схождение теоретического КПД пБ = 96.6 %

= A) 1З W, B) 1S W, C) 21 W

для различных значений выходной мощности с результатами моделирования nD = 94.6 %. В практически важных случаях, например, когда выходная мощность Pout = 23.7 W возможно получить КПД nD = 94.6 %, это же возможно и для мощности Pout = 22.7 W. Полученное различие в мощностях объясняется разными нелинейными свойствами транзисторов.

Рис. 6. Соотношение между выходной мощностью Рои и КПД

3. Расчет связи выходной мощности с КПД дополнен специальным важным и новым для усилителей показателем РАЕ. Он учитывает вклад входной добавляемой мощности в результирующий КПД усилителя (рис. 7). Показатель особенно важен при расчете усилителей с небольшим коэффициентом усиления. Определяется он следующим образом:

Р - Р

РАЕ = —-------- = Пб

Рэс

В выражении (2): в - коэффициент усиления по мощности.

100

90

80

- 70

с

т

н-

Ш

"Л Ф 50

"Л

4*

40

ц_ 30

20

10

0

-- - - ’ --”4“

—в- з1ти1а1юп -4- ргаИса!

10

15

РоШ

20

25

Рис. 7. Зависимость выходной мощности рои от КПД при добавленной мощности

Отметим, что возможно устранение эффекта вклада входной мощности в усиление в усилителях с высоким коэффициентом усиления. Это следует из результатов (рис. 7).

Связь выходной мощности с КПД при добавленной мощности имеет такую же тенденцию, то есть достижимый максимум КПД при добавленной мощности возможен для применения на практике: РАЕ = 91.6 % при выходной мощности РоШ= 22 W.

Рис. 8. Влияние выходной мощности

4. Установлена зависимость коэффициента усиления от выходной мощности: на рис. 8 кривые демонстрируют высокое качество усилителя. Кривые имеют аналогичную тенденцию: наибольшее усиление по мощности (как показывает моделиро-

вание G = 15.5 dB) обеспечивается при выходной мощности Pout = 20.3 W и на практике возможно получить коэффициент усиления до G = 15 dB при выходной мощности Pout = 22.7 W.

Frнqи нпсуЛи1 l-fe rt z 1M Hertz .У iv

Рис. 9. Спектр выходного сигнала

5. Исследован спектр сигнала на выходе усилителя. На рис. 9 приведены результаты моделирования спектра выходного сигнала с помощью моделирующей программы SIMETRIX. Различие в уровнях первой и второй гармоник составляет 24.6 dBm, тогда как отличие амплитуд первой и третьей гармоник составляет 43.2 dBm. На рис. 10 приведены те же результаты, но полученные экспериментально с помощью анализатора спектра. Уменьшение уровней второй и третьей гармоник относительно уровня первой гармоники соответственно составляют 25.2 dBm и 36.4 dB.

Выводы: Таким образом, экспериментально исследован образец высокоэффективного усилителя мощности класса Е.

Показана высокая энергетическая эффективность усилителя.

Выявлены влияния внутренних и внешних параметров усилителя на его КПД.

Результаты экспериментального исследования усилителя подтверждаются путем моделирования.

Усилители подобного типа рекомендуются для практического применения в низкочастотных усилителях мощности различного применения с целью реализации новых энергосберегающих технологий.

Рис. 10. Спектрограммы первой, второй и третьей гармоник усилителя класса Е

Литература

1. F.H. Raab and N.O. Sokal, "Transistor power losses in the Class- E tuned power amplifier" IEEE Jor-nal Solid State Circuits, vol. SC- 13, pp. 912-914, Dec. 1978.

2. Venkataramani M. "Efficiency Improvement of WCDMA Base Station Transmitters using Class-F

Воронежский государственный технический университет

power amplifiers" M. Sc. Thesis, University of Blacksburg, Virginia, Feb. 2004.

3. Stevec, "The Official Class E Transmitter", http://www.classeradio7classe.htm, Access on 08.11.2004.

4. Шит Амер Фархан. Анализ и схема усилителей мощности класса Е // Вестник ВГТУ. 2011. Т. 7. № 2. С. 24 - 27.

EXPERIMENTAL RESULTS OF RESEARCH OF THE POWER AMPLIFIER OF CLASS Е

Shit Amer Farhan

In article results of an experimental research and modeling of the power amplifier of a class of E. Dependence of efficiency of the amplifier from power of an entrance signal are resulted. Amplifier spectral characteristics are investigated

Key words: the power amplifier of capacity of class E, efficiency, parameters and characteristics of the power amplifier