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.
Недостатком данного устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для этого усилителя при максимально возможном КПД уровень выходной мощности Р вычисляется по формуле:
ds
ds(sat)
Здесь и далее V - напряжение источника питания, V - напряжение насыщения ключа, R - сопротивление нагрузки.
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, р.2-7). Усилитель (см. фиг.2) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую его индуктивность L, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.
Недостатком известного устройства является низкий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле:
0
0
Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром (см. Grebennikov A. High efficiency class В, Е and F power amplifiers: the magic of parallel circuits // Microwave Journal, December 2002, р.20-34). Усилитель (см. фиг.3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный LC-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.
Недостатком этого устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле:
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, H03F 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.4) содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L разделительный конденсатор С, параллельный LCR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.
Недостатком устройства-прототипа является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: . Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в увеличении уровня выходной мощности при максимально возможном КПД.
1
2
2
2
Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем первый конденсатор С, который с одной стороны через дроссель подключен к первой клемме источника питания, а с другой стороны - к выходу усилителя и к первому общему выводу параллельного соединения индуктивности L, второго конденсатора С и активной нагрузки R, образующих LCR-контур, и активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является общей точкой, к которой подключены вторая клемма источника питания, а также второй общий вывод параллельного LCR-контура, один вывод первого конденсатора вместе с дросселем подключен к выходу активного ключевого элемента, а на другом его выводе импеданс нагрузочной цепи на основной частоте и всех ее гармониках определяется в виде:
а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:
S
L
f
2
ds
где ω - угловая частота входного сигнала, Q - добротность нагруженного фильтрующего LC-контура,  V - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.
1
2
ds
Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.5. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательную емкость С, параллельный LCR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания V с дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.
R
R
ds
S
S
S
1
C
R
ds
1
S
ds
1
S
ds
ds
S
C
ds
S
S
S
S
S
ds
ds
Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.6. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение V(θ) на резисторе R имеет вид: V(θ)=-Vasin(θ+φ)), где θ=ωt, ω - угловая частота входного сигнала, t - текущее время, а и φ - определяемые ниже величины. Во включенном состоянии (0<θ≤π) напряжение на ключе V(θ)=0, тогда напряжение на конденсаторе С, при (0<θ<π) V(θ)=-V(θ)=Vasin(θ+φ). Следовательно, через конденсатор С протекает ток , а через ключ - I(θ)=I-CωaVcos(θ+φ), где I - постоянная составляющая тока, протекающего через дроссель Др. В выключенном состоянии (при π≤θ≤2π) ток через ключ не протекает I(θ)=0, тогда I(θ)=I, а  Здесь V(π) определяется из условия:  Следовательно, при π<θ≤2 (напряжение на ключе можно рассчитать по формуле:  Основными условиями для режима класса «Е» в рассматриваемом усилителе являются условия: V(θ)=0 и  при θ=2π. Такие условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты включения 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. Эти два условия однозначно определяют а и φ. Учитывая, что  выражения для а и φ можно записать:  Именно при таких значениях а и φ на Фиг.6 и построены эпюры напряжений и тока, нормированные на величины V и I. Таким образом, основные формулы можно переписать в виде:
S
1
Полученные уравнения (2), (3) являются дуальными по отношению к волновым формам для схемы М.Kazimierczuk. Соответственно, предлагаемая схема является дуальной по отношению к схеме М.Kazimierczuk. Если разложить импульсы тока I(θ) в ряд Фурье и приравнять полученный коэффициент разложения к соответствующему коэффициенту -sin(θ+φ) составляющей тока на выходе, то можно получить уравнение для величины С:
K
1
K
Кроме того, если вычислить отношение коэффициентов разложения в ряд Фурье и приравнять его к отношению -cos(θ+φ) и -sin(θ+φ) составляющих тока на выходе, то можно получить уравнение для величины индуктивности L формирующего CL-контура:
2
L
f
2
Определяя величину C через добротность Q фильтрующего LC-контура:
а  то с учетом (5) можно рассчитать суммарную величину индуктивности L:
Подставляя полученную амплитуду выходного колебания  в выражение для выходной мощности , можно получить величину R:
ВЫХ1
1
ВЫХ1
S
С целью нахождения на основной частоте импеданса Z нагрузочной цепи для ключа с емкостью С вычислим первую гармонику тока I(θ), используя разложение I(θ) в ряд Фурье:
ВЫХ1
0
ds
I(θ)=-aVsin(θ+ψ),
где  и .
R
ВЫХ1
ВЫХ1
Теперь, поделив V(θ) на I(θ), с учетом ранее найденных величин а и φ можно вычислить Z:
Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (4) - (9), 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%-ный КПД, а уровень выходной мощности будет вычисляться при помощи формулы (8):
ds
L
Если напряжение питания и сопротивление нагрузки в предложенном устройстве выбрать такими же, как и V и R в прототипе и в аналогах, то значения числовых коэффициентов в формулах для Р будут целиком определять в каждом случае уровни выходной мощности при максимально возможном КПД. То есть в аналогах - это коэффициенты 0.577, 0.05844, 1.365, в прототипе - это 1.734, а в нашем случае - это 17.111. Следовательно, по сравнению с известными усилителями, работающими в режиме класса «Е», выходная мощность предложенного усилителя, как минимум, в 9.87 раза выше. Основное достоинство предложенной дуальной схемы заключается в том, что с ее помощью в усилителях класса «Е» можно достигать повышенные уровни выходной мощности, используя при этом ключи с пониженным напряжением питания. Кроме того, по сравнению с первым и вторым аналогом в предложенном усилителе можно ближе подойти к теоретическому пределу по КПД, так как в отличие от этих аналогов здесь нет никаких ограничений на выбор добротности контура снизу. Предложенная схема усилителя особенно хорошо может работать при очень низких значениях добротности контура , где КПД, как известно, имеет более высокую величину. Вместе с тем, в первом аналоге Q принципиально не может быть меньше 2.08, а во втором аналоге добротность не может быть меньше 4.29.
ds
1
K
1
S
K
K
ВЫХ1
ВЫХ1
ВЫХ1
1
2
3
1
2
3
бл
i
i
2
3
2
ВЫХ
22
BЫХ1
22
ВЫХ
*
Пример конкретного выполнения устройства. Усилитель мощности выполнен на GaAs FET транзисторе типа FLL120MK фирмы Fujitsu Compound Semiconductor, Inc. (сейчас Eudyna, Inc.). Усилитель работает на частоте 910 МГц. Дроссель для подачи напряжения питания к стоку транзисторного ключа реализован в виде катушки с общей индуктивностью 220 нГн. Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (1-1.5) 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. Если выбрать V=10 В, Р=7 Вт, то расчетные значения элементов формирующего контура усилителя будут следующими: С=3.9 пФ, L=9.96 нГн и R=244.4 Ома. Используем при проектировании выходной цепи усилителя в классе «Е» методику расчета, предложенную в работе Баранова А.В. «СВЧ усилители мощности класса «Е» дуального типа». В кн.: 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сент. 2007 г.]. Севастополь: Вебер, 2007, с. 56, 57. Для этого рассчитаем импеданс нагрузочной цепи для ключа с емкостью С. Пересчитаем активное R и индуктивное (ωL=56,92 Ома) сопротивления параллельной RLK -цепи и сопротивления последовательной RL-цепи. Тогда импеданс нагрузки Z=12.57+i53.98. Полученный таким образом импеданс тождественно равен импедансу, рассчитанному при помощи уравнения (9). Далее, выполнив операцию комплексного сопряжения, найдем полное сопротивление генератора на входе выходной цепи Z∗=12.57-i53.98. Затем при помощи любой доступной программы моделирования синтезируем выходную цепь. Эта цепь должна обеспечить как режим согласования импеданса Z(с 50-Омным выходным портом, так и режим отражения на всех, кроме первой, гармониках основного сигнала. Одна из возможных выходных цепей с такими функциями изображена на Фиг.7. Параметры ее следующие: W=0.6 мм, W=1.5 мм, W=5.6 мм, l=14.1 мм, l=17.2 мм, l=33.6 мм, С=1 нФ. Здесь W и l - соответственно ширина и длина микрополосковой линии Zi, где i=1…3, а материал подложки - AlO-керамика с диэлектрической проницаемостью 9.8. Синтезированная выходная цепь полностью эквивалентна выходной LCR-цепи, рассчитываемой при помощи уравнений (4)-(8). Для полученной выходной цепи на Фиг.8 приведены графики зависимостей на выходном порту КСВН (кривая 1) и модуля коэффициента отражения |S| (кривая 2) от частоты . Из Фиг.8 видно, что на расчетной частоте имеет место практически идеальное согласование импеданса Z  с 50-Омным выходным трактом, так как |S|≈-60 дБ. Кроме того, значения КСВН более 13 на частотах до девятой гармоники включительно.
ВХ
ds
ds
Расчетные параметры всех элементов выходной цепи были реализованы в макете усилителя (см. Фиг.9). При входной мощности Р=0.35 Вт, V=10 В и токе потребления I=0.86 А максимальное значение его КПД по добавленной мощности составило 71.5%. Стоковый же КПД данного усилителя несколько выше и равен 75.6%. При этом фактический уровень выходной мощности составил 6.5 Вт.
Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства в СВЧ диапазоне подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях повышенной мощности. А сравнение числовых коэффициентов в формулах выходной мощности для предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что уровень выходной мощности в предложенном усилителе, как минимум, в 9.87 раза выше. Особенно важным является то, что повышенные уровни выходной мощности здесь можно достичь при использовании ключей с пониженными напряжениями питания.