Обзор методов построения высоколинейных усилителей мощности. Продолжение 3

3.4 Метод квантования

В данном методе [13] осуществляется разделение усиливаемого сигнала с переменной амплитудой на несколько каналов по мощности в зависимости от его мгновенного значения. Причем таким образом, чтобы мощности сигналов в этих каналах всегда совпадали с заранее выбранными дискретными (квантованными) уровнями. При этом усилительные тракты большинства из таких квантованных каналов могут работать в слегка перенапряженном или ключевом режиме. В суммирующем устройстве, подключаемом к выходам этих каналов, осуществляется восстановление исходного сигнала с переменной амплитудой.

Теоретические и экспериментальные исследования [23, 24, 25] показали реализуемость этого метода. Транзисторы в таком передатчике должны работать в ключевом режиме, что позволит получить высокий КПД. Однако, метод квантования эффективен лишь при построении транзисторных передатчиков большой мощности. При построении маломощных передатчиков не имеет смысла применять данный метод, так как при этом потребуется использование большого количества усилительных ячеек, когда при данных мощностях можно обойтись двумя-тремя.

К недостаткам этого метода также следует отнести сложность формирующего устройства (квантователя) и многоуровневого сумматора.
Практическое построение сумматоров высокочастотных сигналов с различными амплитудами показало значительную сложность их реализации и очень низкий КПД.

3.5 Метод дефазирования

Этот метод [26, 27, 28] был впервые предложен М. Ширексом еще в
30-х годах как один из эффективных способов амплитудной модуляции на высоком уровне мощности. Однако, ввиду внедрения анодно-экранной модуляции, а также из-за ряда проблем, возникших на данном этапе с реализацией этого метода в ламповых передатчиках, он в те годы практического распространения не получил.

Метод основан на возможности представления любого сигнала с переменной амплитудой двумя сигналами с одинаковыми неизменными амплитудами и с разными переменными фазами – двумя сигналами с нелинейной фазовой модуляцией. Формирование этих ФМ сигналов осуществляется в специальном устройстве – расщепителе, два ФМ сигнала усиливаются до нужной мощности в двух идентичных ВЧ трактах, а затем после их сложения восстанавливается исходный сигнал с переменной амплитудой. В зарубежной литературе такое построение усилителей и передатчиков получило название LINC – линейное усиление на нелинейных элементах, в отечественных разработках – линеаризаторы – линейное усиление с использованием усилителей класса С, или ЛУМ.

При построении ЛУМ, построенного по данному методу, фазовые сдвиги межу сигналами в двух ВЧ трактах могут достигать 180⁰ (при амплитуде АМ сигнала равной нулю). При этом кажущиеся сопротивления, на которые работает каждый ВЧ тракт, устремляются к нулю или к бесконечности (в зависимости от способа суммирования), чем и вызвана повышенная сложность суммирования мощности. Каскады усиления в двух одинаковых ВЧ трактах могут работать в высокоэффективных режимах – граничном или ключевом, что позволяет получить высокий КПД ЛУМ в случае удачного решения проблемы построения сумматора. Этот КПД уже является средневзвешенным значением КПД двух ВЧ трактов, а не произведением двух КПД – КПД ВЧ тракта и КПД тракта огибающей, как в методах с автоматической регулировкой напряжения питания и Кана.

К недостаткам метода дефазирования следует отнести то, что, в большинстве случаев, требуется, чтобы оба ВЧ тракта имели практически идентичные частотные характеристики во избежание неточности восстановления исходного сигнала.

3.6 Метод Догерти

 

В принципе усилитель по методу Догерти [30, 31, 32] был разработан для увеличения КПД на мощностях менее мощности насыщения. В данном методе, используется усилитель несущей (или основной) класса В, настроенный на мощность в 4 раза (6 дБ) меньше максимальной мощности и пиковый (или дополнительный) усилитель класса С, мощность с выхода которого начинает поступать при уровне сигнала 6 дБ от максимального уровня в режиме насыщения (рисунок 11).

Поскольку усилитель несущей подключен через четвертьволновую линию, то ее входное сопротивление начинает уменьшаться в связи с уменьшением выходного импеданса пикового усилителя. Поэтому, в пределах шести децибел до максимума мощности усилитель несущей работает при максимальном уровне выходного напряжения, соответствующего критическому режиму, с теоретическим КПД = 78,5 %. В результате, получаются два пика с КПД = 78,5% - на шести децибельном уровне отстройки и на максимальной мощности, когда оба усилителя работают в режиме максимального КПД класса В (угол отсечки для пикового усилителя будет близок к 90 градусам при большом выходном сигнале).

Однако, наличие класса С и класса В в реальных условиях приводят к сильным нелинейным искажениям сигналов. Поэтому, обычно усилитель несущей смещается в режим класса АВ с небольшим током покоя, а цепь смещения пикового усилителя настраивается на оптимальное смещение, при котором обеспечиваются постоянными коэффициент усиления и фаза всей системы. В этом случае можно получить некоторое улучшение КПД, однако трудно обеспечить высокий уровень линейности. Кроме того необходимо учитывать потенциальные изменения напряжения питания и технологических разбросов параметров в диапазоне температур окружающей среды. Это можно сделать только с помощью DSP управления, что делает такую систему весьма сложной, и в реальных действующих системах она пока находит применение только в диапазоне СВЧ. Структура одного из передатчиков, работающих по методу Догерти [33] приведена на рисунке 12.

Заключение

В статье рассмотрены способы построения линейных усилителей с использованием методов квантования, дефазирования и Догерти. Показаны их достоинства и недостатки.

Продолжение следует.