ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ ШИМ-МОДУЛЯТОР ДЛЯ ЛИНЕЙНОЙ МОДУЛЯЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛЮЧЕВОГО РЕЖИМА
HIGH-EFFICIENCY PULSE-WIDTH MODULATOR FOR LINEAR MODULATION OF HIGH-FREQUENCY KEY MODE POWER AMPLIFIERS

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в усилителях мощности (УМ) передатчиков портативных и других радиостанций.
Для повышения энергетической эффективности УМ ключевого режима и линейности в передатчиках ВЧ-сигналов со сложной формой огибающей требуются особые технические решения. Известны технические решения, защищенные патентами: ЕР 175521 А1, опубликован 21.02.2007 г.; WO 200810577 A1, опубликован 04.09.2008 г.; RU 2406219 C2, опубликован 04.08.2005 г.; патент ЕР 1463198 А2, опубликован 29.09.2004 г.; WO 03/090343 A2, опубликован 30.10.2003 г.
Принимая во внимание жесткие требования к массогабаритным показателям и потребляемой мощности, для линеаризации УМ портативных радиостанций наиболее целесообразным представляется метод раздельного усиления составляющих сигнала со сложной формой огибающей (устранение и восстановление огибающей). Упрощенная структурная схема УМ, построенного, в соответствии с этим методом, приведена на фиг.1.
Линейный усилитель, построенный в соответствии с этим методом, должен содержать два основных узла: высокочастотный УМ, работающий в ключевом режиме, и модулятор, предназначенный для модуляции выходного сигнала этого усилителя по амплитуде.
Модулятор огибающей управляет почти всей мощностью, потребляемой передатчиком от источника питания, поэтому важно, чтобы именно его эффективность была максимально высокой. Наиболее близким аналогом такого модулятора является усилитель низкой частоты класса D (патент WO 03/090343 A2, опубликован 30.10.2003 г.). Однако в этом усилителе отсутствует гальваническая развязка между низковольтными узлами и выходными каскадами ШИМ-преобразователя. При этом напряжение питания нагрузки, которой является высокочастотный усилитель мощности ключевого режима, ограничивается максимально допустимым напряжением питания микросхем и транзисторов ШИМ-преобразователя.
Задачей настоящего изобретения является устранение или сокращение недостатка предшествующего уровня техники. Предложенный модулятор для высокочастотных усилителей мощности ключевого режима, содержащий усилитель огибающей, ШИМ-преобразователь, высоковольтный выходной каскад, выходной фильтр нижних частот, отличается тем, что драйвер выходного каскада обеспечивает гальваническую развязку между ШИМ-преобразователем с низким напряжением питания и выходным каскадом с повышенным напряжением питания, а для повышения линейности введена петля отрицательной обратной связи с выхода модулятора на вход ШИМ-преобразователя.
Драйвер модулятора состоит из дифференцирующего каскада, трансформатора продифференцированных импульсов и двухтранзисторного управляющего каскада (фиг.2). Такое решение позволяет использовать ШИМ-преобразователь с низким напряжением питания для модуляции высокочастотных УМ ключевого режима с любым напряжением питания.
Ограничения по напряжению питания, подаваемого на оконечный каскад для получения требуемой мощности, будут определяться только предельными значениями допустимого напряжения питания применяемых транзисторов в выходных каскадах модулятора и высокочастотного УМ ключевого режима.
Предложенная схема управления выходным каскадом ШИМ-модулятора позволяет обеспечить высокую энергетическую эффективность модулятора. При этом высокая линейность достигается введением дополнительной петли ООС с выхода модулятора на вход ШИМ-преобразователя, охватывающей все каскады ШИМ-модулятора.
Электрическая схема модулятора приведена на фиг.3. Сигнал огибающей с входа модулятора через потенциометр R1 поступает на вход усилителя огибающей D1 (вывод 2), построенного на операционном усилителе и имеющем коэффициент усиления 10.
Усиленный сигнал огибающей подается на прямой вход компаратора D2 (вывод 3). На инвертирующем входе компаратора D2 (вывод 4) присутствует опорное напряжение, сформированное делителем из постоянного резистора R7 и потенциометра R9. Выходное напряжение компаратора подается на затвор транзистора VT1, исток которого подключен к положительной шине источника питания 5 В, а к стоку подключен катод диода Шоттки VD1 и LC-фильтр L1-C6. К выходу LC-фильтра подключен нагрузочный резистор R6, предназначенный для выделения напряжения положительной обратной связи для обеспечения работы ШИМ-преобразователя.
Компаратор D2, транзистор VT1, диод VD1, фильтр L1-C6, резистор R6, а также элементы положительной обратной связи (R10-R12) с дополнительной цепью частотной коррекции (R11-C8) образуют низковольтный ШИМ-преобразователь. При отсутствии сигнала огибающей и подаче на компаратор D2 и исток ключа VT1 напряжения питания плюс 5 В ШИМ-преобразователь представляет собой генератор последовательности импульсов с амплитудой 5 В и скважностью 2 (меандр).
При подаче на вход модулятора сигнала огибающей ее напряжение с выхода усилителя огибающей D1 (вывод 1) подается на прямой вход компаратора D2, что приводит к изменению ширины импульсов на стоке VT1 ШИМ-преобразователя по закону огибающей. Меандр преобразуется в последовательность импульсов с широтно-импульсной модуляцией амплитудой 5 В.
Последовательность ШИМ-импульсов со стока VT1 подается на затвор транзисторного ключа на транзисторе VT2 дифференцирующего каскада драйвера. В цепь стока транзистора VT2 последовательно с токоограничивающим резистором R16 включена первичная обмотка трансформатора Т1, которая вместе с резистором R17 образует дифференцирующую RL-цепочку. Вторичные обмотки этого трансформатора противофазно подключены к базам и эмиттерам двухтранзисторного управляющего каскада на VT3 и VT4, причем фаза сигнала на вторичной обмотке, подключенной к транзистору VT4, совпадает с фазой сигнала на первичной обмотке.
Временные диаграммы напряжений на электродах транзисторов и обмотках трансформатора представлены на фиг.4 (4а, 4б, 4в, 4с, 4д). Напряжение на стоке транзистора VT2 имеет форму, изображенную на диаграмме 4а. Транзистор периодически открывается и закрывается, пропуская прямоугольные импульсы тока через первичную обмотку трансформатора продифференцированных импульсов Т1. При этом на этой обмотке выделяются короткие импульсы, в соответствии с диаграммой 4б. Эти же продифференцированные импульсы формируются и на вторичных обмотках трансформатора, причем они находятся в противофазе в соответствии с диаграммами 4в и 4г.
Транзисторы VT3 и VT4 периодически открываются и закрываются, быстро заряжая и разряжая при этом емкость затвор-исток транзистора VT5, на котором собран выходной каскад модулятора. При этом на стоке VT5 обеспечивается ШИМ-последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой, близкой по величине к напряжению источника питания выходного каскада модулятора (диаграмма 4д). Из этой ШИМ-последовательности при прохождении через трехзвенный LC-фильтр L4-C16-L5-C17-L3-C14 формируется выходное модулирующее напряжение, повторяющее по форме огибающую входного сигнала. Напряжение подводится к выходу «U мод» и обеспечивает питание и модуляцию высокочастотного УМ, работающего в ключевом режиме.
К выходу трехзвенного LC-фильтра подключена также регулируемая цепь ООС R15-R14-R13-C11, предназначенная для компенсации искажений модулирующего сигнала, возникающих в процессе широтно-импульсной модуляции.
Описанный модулятор был применен для линейной модуляции высокочастотных усилителей мощности ключевого режима для портативных радиостанций различных диапазонов частот с напряжением питания до 48 В. При этом были достигнуты следующие параметры усилителей: выходная мощность - 10 Вт; КПД до 83%; подавление комбинационных составляющих при подаче на вход двух синусоидальных сигналов с разносом 1 кГц - до минус 32 дБ.