Обзор методов построения высоколинейных усилителей мощности

1 Введение

В современных системах подвижной связи декаметрового диапазона, работающих с однополосными сигналами и сложными сигналами типа OFDM, используются транзисторные широкополосные каскады и схемы со сложением мощностей. К усилителям, в которых реализованы сложные алгоритмы обработки сигналов, всегда предъявляется ряд технических требований по надежности, уровню и контролю выходной мощности, а главное – по минимизации нелинейных искажений в широкой полосе частот.

Изучение состояния проектирования усилителей мощности у нас в стране и за рубежом показывает, что в настоящее время подавляющая часть усилителей разрабатывается с применением активных режимов работы транзисторов класса А, АВ и В в оконечных каскадах. Это обусловлено большим опытом проектирования и хорошо развитой теорией построения подобных устройств, что позволяет проводить разработки в достаточно сжатые сроки.

Однако имеется ряд проблем, которые возникают при разработке и конструировании выходных транзисторных усилительных модулей, включающих схемы сложения (деления) мощности и работающих со сложным многочастотным сигналом:

• при работе мощных усилительных модулей с коэффициентом полезного действия (КПД) более 40 % трудно обеспечить высокую линейность амплитудной характеристики (АХ) и фазоамплитудной характеристики (ФАХ);
• в спектре выходных сигналов многочастотного усилителя мощности всегда появляются интермодуляционные искажения (ИМИ), которые практически не фильтруются и значительно ухудшают параметры системы связи. Высокая линейность характеристик может быть достигнута путем снижения КПД до 10…20 %, что неприемлемо для дорогих мощных усилителей, работающих на участках АХ, близкой к мощности насыщения [1];
• чтобы подавить ИМИ в выходном спектре сигналов усилителей необходимо применять в передатчике различные способы повышения линейности: линейная и нелинейная обратные связи, предискажения и адаптивная коррекция [2].

Все эти способы резко усложняют схемотехническое построение ВЧ трактов, но, хотя они направлены главным образом на повышение линейности, их применение может давать, пусть даже небольшой, выигрыш в КПД.

В течение последних 60-ти лет исследователями был предложен целый ряд различных методов повышения энергетической эффективности усилителей мощности сигналов с переменной амплитудой. Применение некоторых из них позволяет резко увеличить КПД передатчиков с сохранением линейности усилительного тракта на требуемом уровне.
Для исключения неоднозначности в понимании термина высоколинейные усилители определим допустимый уровень нелинейных искажений, по которому мы будем проводить условное деление усилителей на линейные и высоколинейные классы. В существующей нормативной документации отсутствуют критерии такого деления радиопередающих устройств на классы линейные и высоколинейные, хотя для радиостанций, работающих со сложными видами сигналов (OFDM, CDMA и т.п.), возможно возникла уже такая необходимость.

Поэтому условно определим, что к высоколинейным усилителям мы будем относить усилительные устройства с уровнем составляющих продуктов взаимной модуляции 3-его и 5-ого порядка менее минус 35 дБ для радиостанций подвижной службы, что выше требований ГОСТ 22579 [3] и менее минус 45 дБ для стационарных передатчиков, что выше требований ГОСТ Р 51903 [4].
Обзору методов, а также рассмотрению вопросов, связанных с построением высоколинейных усилителей мощности, посвящена настоящая работа, состоящая из цикла статей.
Целью работы является выбор направления построения передатчика, отвечающего выше установленным требованиям линейности.

2 Анализ характеристик режимов активных элементов, используемых при построении усилителей мощности

2.1 Режим класса А

Режим класса А характеризуется постоянством напряжения на коллекторе (стоке) активного элемента – транзистора и тока, протекающего по коллекторной (стоковой) цепи. Данный режим работы используется для линейных усилителей с жесткими требованиями по линейности:

• предварительные усилители SSB передатчиков, где требуется уровень составляющих взаимной модуляции 3-его порядка при двухтональном сигнале не более минус 40 дБ;
• предварительные усилители телевизионных передатчиков, где нелинейность амплитудной характеристики должна быть очень низкой - не более десятых долей дБ;
• все каскады телевизионных ретрансляторов, которые проверяются с помощью трех тональных сигналов. Уровень продуктов интермодуляции 3-его порядка должен быть менее минус 55…60 дБ. При этом первые каскады (каскады возбуждения) должны вносить очень незначительные продукты взаимной модуляции и, таким образом, должны работать в еще менее эффективном режиме класса А в сравнении с оконечным каскадом тракта усиления, т.к. это является единственно возможным способом снижения общего значения нелинейных искажений [5].

Хотя теоретический коэффициент полезного действия (КПД) усилителя класса А составляет 50%, КПД в первых двух случаях применения не превышает 25 %, а в случае телевизионных ретрансляторов ~ 15 % для выходного каскада и даже менее для каскадов возбуждения [5]. Коэффициент усилении по мощности усилителя класса А приблизительно на 3...4 дБ больше, чем коэффициент усиления того же самого усилителя, работающего в классе В. Это объясняется тем, что коллекторный ток (ток стока) усилительного каскада протекает непрерывно на протяжении всего периода усиливаемого сигнала, а в режиме класса В – только в течение полупериода. Поэтому эффективная передаточная характеристика транзистора в классе В в два раза меньше, чем при работе транзистора в классе А.

2.1.1 Искажения, методы измерения искажений

SSB модуляция используется главным образом в ВЧ (КВ) диапазоне частот от 1,5 до 30 МГц. При испытании транзисторов, например на Philips, используется частота 28 МГц.

Для оценки искажений взаимной модуляции используются различные методы. Наиболее широко используемым методом оценки взаимной модуляции является двухтоновый метод. При этом методе два равноамплитудных сигнала с разносом 1 кГц подводятся ко входу усилителя. Практически усилители всегда являются нелинейными устройствами и основными продуктами искажений, которые они производят, являются продукты 3-его (М3) и 5-ого (М5) порядка, потому, что они находятся в полосе пропускания приемников.

На рисунке 1 показан пример спектра сигнала на входе усилителя, а на рисунке 2 часть спектра выходного сигнала, прошедшая без изменений в нагрузку. На рисунке 2 показаны только амплитуды комбинационных составляющих третьего, пятого порядков. Их амплитуда достаточно быстро убывает с возрастанием порядкового номера, поэтому для оценки линейных свойств транзистора обычно достаточно измерить амплитуды наибольших из них, а именно третьего и пятого порядков.

Принцип измерения M3 состоит в том, что после достижения требуемого уровня мощности Р_ВЫХ измеряется отношение наибольшей из двух амплитуд комбинационных частот 2ω₁ — ω₂ и 2ω₂ — ω₁ к амплитуде основных тонов U (см. рисунок 2) [6]. Выражения для определения М3, M5 (в децибелах) имеют вид:

M3 =20 lg(U3/U),	(1)
M5 =20 lg(U5/U).	(2)

Замечание. У двух интермодуляционных помех одного и того же порядка возможны не одинаковые амплитуды. Причиной такого явления может быть не идеальность или не эффективность развязки источника питания на этих частотах.

Если каждый из тонов имеет мощность 10 Вт, то средняя мощность их комбинации составляет 20 Вт. При формировании высокочастотного сигнала тоны могут смешиваться в фазе или противофазе. Когда два тона совпадают по фазе, амплитуда суммарного тона становится равной удвоенной амплитуде одного тона, мощность при этом увеличивается в четыре раза по сравнению с однотональным режимом (в нашем примере – 40 Вт). Это мощность называют пиковой мощностью огибающей (PEP). Когда два тона находятся в противофазе, суммарная амплитуда становится равной нулю. В идеальном случае огибающая суммарного сигнала состоит как бы из половин синусоиды (рисунок 3).
При использовании режима класса А продукты искажения почти всегда определяются относительно амплитуды одного из тонов испытательного входного сигнала.
Внимание: в области линейных усилителей класса А, каждое снижение выходной мощности на 1 дБ приводит к снижению уровня взаимной модуляции 3-его порядка на 2 дБ [5].

2.2 Режим класса АВ

Режим класса АВ характеризуется постоянным напряжением на коллекторе и, в отличие от режима класса А, начальным коллекторным током покоя, который увеличивается с увеличением входной мощности.
Режим класса АВ используется в линейных усилителях с более низкими требованиями по искажениям:

• оконечные каскады SSB передатчиков, где требуемый уровень взаимной модуляции 3-его порядка около минус 30 дБ;
• оконечные каскады телевизионных передатчиков, где допустим максимальный уровень компрессии коэффициента усиления 1 дБ;
• оконечные каскады базовых станций сотовой связи.

Максимальный КПД достигается при максимальной мощности и, хотя теоретическое значение его составляет 78,5 %, практически он меньше по следующим причинам:

• имеются резистивные потери, как в транзисторах, так и в выходной согласующей цепи;
• амплитуда коллекторного напряжения не может достигать максимального значения из-за ограничения по допустимым искажениям;
• наличие начального тока (для биполярного транзистора ток коллектора составляет около 2% от его значения при максимальной мощности, для MOSFET транзисторов - около 12 % от его значения при максимальной мощности).

Для КВ и УКВ усилителей в двухтональном режиме работы среднее значение КПД составляет ~ 40 %, что соответствует значению КПД 60…65 % в пике огибающей (PEP). На высоких частотах КПД несколько ниже. Значение коэффициента усиления по мощности усилителя в классе АВ находится между значениями для усилителей, работающих в классе А и классе В.

2.2.1 Искажения в режиме класса АВ

В отличие от усилителя класса А, где взаимная модуляция уменьшается при снижении мощности, в усилителе класса АВ взаимная модуляция изменяется так, как изображено на рисунке 4а [5] . На рисунке 4б изображен внешний вид двухтонального испытательного сигнала и типичные осциллограммы продуктов взаимной модуляции.
Увеличение искажений при снижении мощности обуславливается появлением так называемых «переходных» искажений, т.е. искажений, появляющихся при переходе из режима класса А в режим класса АВ.

2.2.2 Эффект импеданса нагрузки

Важным фактором, влияющим на искажения, является импеданс нагрузки. Оптимальное значение импеданса нагрузки на рабочей частоте всегда указывается в спецификациях на транзистор для интересующего частотного диапазона. Реактанс нагрузки на частоте второй гармоники также является важным параметром. В основном реактансом нагрузки является только выходная емкость транзистора. Коллекторный или ток стока содержит существенную компоненту второй гармоники, которая является причиной наличия на выходе в реактансе нагрузки составляющей напряжения второй гармоники. Незначительное ее значение допустимо, т.к. слабо сказывается на уровне искажений. Однако, если это значение превышает 10 % от значения напряжения основной частоты, то говорят, что усилитель находится в насыщении и требуемое значение искажений может быть достигнуто при более низкой мощности.

Это может быть исключено путем подключения дополнительной внешней емкости между коллектором (или стоком) и корпусом. Такой способ уменьшения уровня гармонических составляющих уменьшает усиление, но позволяет значительно снизить составляющие взаимной модуляции.
Хорошим практическим правилом должно быть следующее – реактанс параллельного соединения внутренней емкости транзистора и внешней емкости должен составлять приблизительно 2,2 сопротивления нагрузки на основной частоте. Для широкополосных усилителей может быть применено другое решение, описываемое в отчетах Philips, например "NC08703" [5].

2.3 Режим класса В

Этот режим работы может быть использован в радиочастотных усилителях мощности, к которым не предъявляются высокие требования по линейности, например, в портативных радиостанциях и передвижных средствах радиосвязи, базовых станциях, кроме тех, которые работают в диапазоне 900 МГц, и ЧМ радиовещательных передатчиках.

Усилители на биполярных транзисторах работают без смещения, а усилители на МОП транзисторах используются при очень незначительном смещении с током покоя 2-3 % от значения тока в полной мощности.
КПД коллекторной (стоковой) цепи составляет приблизительно 70 % в диапазоне ОВЧ (УКВ), коэффициент усиления по мощности зависит от рабочей частоты.

2.4 Режим класса С

Режим класса С не рекомендуется для биполярных транзисторов, т.к. сокращает их срок службы. Исключение может быть сделано для режима с незначительным запирающим смещением (не более 100 мВ), которое может быть образовано небольшим резистором между базой и эмиттером.

MOSFET транзисторы более терпимы к такому режиму и могут быть использованы при VGS=0, что вызывает некоторое снижение коэффициента усиления по мощности, что не является препятствием, т.к. в большинстве случаев коэффициент усиления достаточно высок.
Главное преимущество этого режима – высокий КПД цепи стока. Хорошим примером является усилитель на транзисторе BLF278, который на частоте 108 МГц в режиме класса В обеспечивает КПД 70 % при коэффициенте усиления 22 дБ, а в классе С – КПД 80 % при коэффициенте усиления 18 дБ [5].

2.5 Режим класса Е

При работе в режиме класса Е и оптимальном выборе номиналов компонентов выходной согласующей цепи транзистора может быть достигнут КПД коллекторной цепи 85 %. Однако использование режима класса Е ограничивается диапазоном 60-70 МГц из-за значительного снижения КПД.

2.6 Влияние предварительных ступеней усиления на взаимную модуляцию усилителя

Большинство линейных усилителей (например, класса А, или класса АВ) состоят из двух или более каскадов. Очевидно, что полное значение искажений главным образом определяется выходным каскадом, т.к. все предварительные каскады усиления разрабатываются с учетом того, чтобы вносить как можно более малые искажения. Практически увеличенное внимание к линейности предварительных каскадов оправдано, т.к. их характеристики определяют общие параметры всего тракта усиления.

Суммарные искажения многокаскадного усилителя d_∑ могут быть определены по формуле [5]:

dΣ =20log(10d1/10 + 10d2/10 + ...),

(3)

где d1 и d2 и т.д. – продукты взаимной модуляции 1-ого, 2-ого и т.д. каскадов усилителя в дБ.
Например, для усилителя с двумя каскадами усиления (предварительный каскад и выходной каскад) можно определить, на сколько децибел ухудшается взаимная модуляция на выходе устройства, если известна разность значений "А" между уровнем взаимной модуляции выходной ступени и предварительным каскадом . Формула, по которой может быть произведен расчет, приведена ниже [5]:

B =20log(1 + 10-A/20),

(4)

где А – абсолютное значение разности в искажениях предварительного каскада и оконечного каскада, а В – увеличение искажений на выходе усилителя.

В таблице 1 приведены данные расчета по формуле (4).
Таблица 1

Разность значений IMD (дБ) предварительного каскада и оконечного каскада	Увеличение IMD (дБ) на выходе усилителя
0	6,0
5	3,9
10	2,4
15	1,4
20	0,8

Заключение

По результатам анализа применяемых режимов работы активных элементов можно сделать следующие выводы:

1) Анализ используемых режимов работы активных элементов в усилителях мощности показывает, что установленным требованиям для высоколинейных усилителей радиостанций подвижной службы удовлетворяют только усилители, работающие в классе А. Выходной каскад, работающий в классе А, может обеспечивать уровень взаимной модуляции не более минус 40 дБ с КПД не превышающем 25 %, при этом предварительные каскады должны работать еще в более недонапряженном режиме и с более низким КПД (не более 15 %).

Требованиям по линейности для стационарных передатчиков (не более минус 45 дБ) могут удовлетворять усилители класса А, работающие с КПД ~ 15 % и обеспечивающие продукты интермодуляции 3-его порядка не более минус 55…60 дБ.

Вследствие низкого КПД усилителей класса А при высоких требованиях к энергетической эффективности средств радиосвязи такой режим работы передатчиков в чистом виде становится неприемлемым для практического использования.

2) Применение высокоэффективных классов режимов работы каскадов усилителей таких, как АВ, В, С и Е, без применения специальных методов уменьшения искажений, не приемлемо вследствие значительных искажений сигналов на выходе усилителей - порядка минус 30 дБ и более.

3) Применение энергетически выгодных режимов работы требует поиска и исследования новых специальных методов повышения линейности.

4) Каждая пара каскадов с идентичными характеристиками по параметру взаимной модуляции, введенная в тракт передачи, ухудшает значение взаимной модуляции на своем выходе на 6 дБ. Таким образом, при построении тракта передачи необходимо стремиться к максимальному уменьшению количества промежуточных каскадов.

Продолжение следует.

Источники информации:

1. Дрижанов А.В., Попов Е.А, Пантюшин, Есин С.В., Оганян А.В. Амплитудные и фазовые ошибки в схемах линеаризации усилителей. Материалы VII Международной научно-технической конференции, 7-11 декабря 2009 г. Москва, INTERMATIC-2009, часть 3, МИРЭА
2. Никифоров Б.В., Лисицкий А.Б. «Методы уменьшения нелинейных искажений сигналов в радиопередающих трактах» – сборник «Полупроводниковая электроника в технике связи», № 28
3. ГОСТ 22579-86. Радиостанции с однополосной модуляцией сухопутной подвижной службы. Типы, основные параметры, технические требования и методы измерений. ИПК. Издательство стандартов. Москва
4. ГОСТ Р 51903-2002. Передатчики радиосвязи стационарные декаметрового диапазона волн. Основные параметры, технические требования и методы измерений. ИПК. Издательство стандартов. Москва
5. RF transmitting transistor and power amplifier fundamentals. Power amplifier designer. Philips Semiconductors, 1998, March 23
6. Завражнов Ю. В., Каганова И. И., Мазель Е. 3. и др.; Под ред. Е. 3. Мазеля. Мощные высокочастотные транзисторы. — М.: Радио и связь, 1985