Обзор методов построения высоколинейных усилителей мощности. Продолжение 1

3 Анализ методов повышения линейности усилителя мощности, работающего в энергетически эффективном режиме работы

Необходимость повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности становится наиболее очевидной при рассмотрении влияния пик-фактора усиливаемых сигналов на средний коэффициент полезного действия передатчика.

Так при использовании в системе радиосвязи классических методов модуляции, таких как FSK и PSK, пик-фактор сигналов находится в пределах от 3 до 6 дБ [22], а при использовании сигналов OFDM – от 8 до 13 дБ. Внешний вид формы радиосигналов со сложными видами модуляции изображен на рисунке 5.

Проведенный расчет среднего КПД для многочастотных сигналов с пик-фактором 10 дБ для идеального класса А и В показывает значительное его ухудшение до 5 и 28 % соответственно в сравнении с КПД такого же усилителя в максимальном режиме с теоретическими значениями 50 и 78,5 % соответственно.

Отсюда следует актуальность повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности с одной стороны и максимального снижения пик-фактора сигнала, применяемого в системе радиосвязи, с другой стороны.

3.1 Метод с автоматической регулировкой режима работы класса А

Как показано выше, единственным классом режима работы каскадов усилителей мощности, удовлетворяющих требованиям ультралинейности, являются усилители класса А с присущим им недостатком – очень низким КПД.

В рассматриваемом методе  для повышения выходной мощности, отдаваемой транзисторами, предлагается введение автоматической регулировки режима (АРР) работы активного элемента по постоянному току [7]. В результате средний КПД усилителя удается повысить за счет снижения потребляемой мощности при усилении слабых сигналов [8-10]. Кроме того применение АРР повышает линейность амплитудной характеристики и уменьшает величину амплитудно-фазовой конверсии [11, 12].

Структурная схема усилителя мощности (рисунок 6а) с регулируемым смещением активного элемента позволяет регулировать ток потребления каскада в зависимости от уровня входной мощности [34]. Работа цепи динамического смещения может быть нарушена фазовыми искажениями, вызываемыми задержкой изменения напряжения смещения и огибающей модулированного сигнала. Данный недостаток может быть исключен применением замкнутой петли динамического смещения (рисунок 6б).

Один из вариантов функциональной схемы сверхширокополосного усилителя мощности с совмещенной системой регулирования режима и защиты приведен на рисунке 6в [7].

Здесь кроме регулирования тока потребления выходного каскада, осуществляется регулирование тока потребления предварительного каскада через систему термостабилизации тока покоя, обеспечивающую исключение эффекта детектирования, обусловленного нелинейностью входной цепи активного элемента и приводящего к потерям до 40 % выходной мощности.

Усилитель мощности, построенный по рассмотренному принципу, схема которого приведена ниже, имеет следующие характеристики [7]:

• коэффициент усиления 16 дБ;
• полоса пропускания 10-50 МГц;
• неравномерность амплитудно-частотной характеристики ± 0,5 дБ;
• номинальный уровень выходной мощности 4,2 Вт;
• ток потребления в режиме молчания 0,15 А, в режиме номинальной выходной мощности 0,55 А;
• сопротивление генератора и нагрузки 50 Ом.

Усилитель сохраняет работоспособность при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания, допускает десятикратное превышение номинального значения входной мощности.

3.2 Метод с автоматическим регулированием питающего напряжения

Среди методов, позволяющих повысить энергетическую эффективность при использовании линейных режимов работы транзисторов, наибольшее распространение получил метод автоматического регулирования питающего напряжения (метод предложен Рассадиным) [13, 14]. Он заключается в изменении напряжения питания выходных каскадов усилителя мощности в соответствии с законом изменения огибающей однополосного сигнала, что позволяет поддерживать критический режим во всем диапазоне амплитуд усиливаемого сигнала.

Однако вследствие применения линейного режима работы усилителя, обладающего малой энергетической эффективностью, возможности повышения эффективности однополосных передатчиков, использующих метод автоматической регулировки питающего напряжения, ограничены. Как показывают теоретические и экспериментальные исследования характеристик двухтактного линейного каскада класса АВ [15, 16, 17, 18], его КПД при допустимом уровне нелинейных искажений реально, как правило, не превышает 50 % в режиме непрерывной мощности при работе на чисто резистивную номинальную нагрузку. В условиях рассогласования нагрузки реальный КПД снижается до 40 %.

Другим существенным недостатком этого метода является необходимость использования мощного регулируемого источника питания (РИП), приводящего к снижению общего КПД устройства и дополнительным нелинейным искажениям вследствие задержки сигнала огибающей в тракте РИП.

В заключение рассмотрения метода с автоматическим регулированием питающего напряжения  следует отметить его основной недостаток – он не повышает линейности в сравнении с обычным режимом класса АВ, т.е. IMD каскада при использовании автоматического регулирования питающего напряжения остается ~ 30 дБ.

Заключение

В статье показана необходимость повышения энергетической эффективности линейных усилителей мощности и рассмотрены два пути построения усилителя мощности:

1) усилитель с автоматической регулировкой режима работы класса А;

2) усилитель с автоматическим регулированием питающего напряжения.

К достоинству усилителя мощности, построенного по первому способу, относится его высокая линейность, соответствующая режиму класса А при низком значении тока потребления в режиме молчания, повышенном среднем КПД и способности сохранять работоспособность при изменении нагрузки от холостого хода до короткого замыкания. Недостаток - низкий КПД в непрерывном режиме.

Второй способ построения усилителя мощности при допустимом уровне нелинейных искажений реально способен обеспечить КПД усилителя до 50 % в непрерывном режиме и на чисто активную нагрузку, который снижается до 40 % при рассогласовании. Недостатки - требует использования мощного регулируемого источника питания и не улучшает параметры линейности в сравнении с обычным режимом класса АВ (IMD ~ 30 дБ).

Продолжение следует.

Источники информации:

Полный сквозной список использованных источников информации будет приведен в конце последней статьи данной работы.