CC BY
105
Ключевой усилитель мощности класса Е при пониженной нагруженной добротности фильтрующего контура
Ключевые слова: усилители мощности, высокий КПД, полоса пропускания, класс Е, добротность.
Васильев А.В., Долгов А.С., Кандауров Н.А., Козырев В.Б.
Введение
Одним из методов повышения КПД в усилителях мощности (УМ) радиопере-дающих устройств на высоких частотах (вплоть до единиц ГГц), является использование ключевого режима работы транзисторов, в частности, УМ класса Е. Только в УМ данного класса выходная емкость транзистора не является паразитной, а входит в состав емкости формирующего контура (ФК) С^>р •
При этом на предельно высоких частотах она полностью выполняет ее роль.
ФК на этапе, когда транзистор находится в закрытом состоянии, обеспечивает такой колебательный процесс, при котором удовлетворяются два условия. К моменту включения транзистора на его выходных электродах напряжение и его производная должны быть равны нулю [1-3]
«„(/) = 0. (1) <ка(г)/Л = 0. (2)
При выполнении (1) к моменту замыкания эквивалентного ключа, которым представляют транзистор, напряжение на С,равно нулю. Поэтому отсутствуют
ком-мутативные потери, обусловленные разрядом напряжения на этой емкости на сопротивлении открытого транзистора. Условие (2) соответствует равенству нулю
тока в емкости С. в момент замыкания ключа и значит,
фор
ток ключа начинается с нуля, а не с отрицательного или положительного скачка. При этом, как показывает анализ, относительные потери в транзисторе в открытом состоянии оказываются наименьшими.
Для обеспечения (1) и (2) ФК должен быть настроен на частоту в « 1,5 раза выше рабочей и иметь нагруженную добротность порядка единицы. При этом в сопротивлении нагрузки выделяется не только мощность основной частоты, но и высших гармоник. Добиться гар-
Ключевые усилители мощности (УМ) класса Е известны уже достаточно давно и их анализ выполнен многими исследователями. В тоже время одно из основных начальных условий анализа — это высокая нагруженная добротность фильтрующего контура |^н > 10). Но так ли это необходимо? Да, при этом условии в сопротивлении нагрузки выделяется только мощность основной (первой) гармоники, но практика и теоретический расчет показывают, что часто бывает невыгодно строить УМ класса Е с высокодобротными фильтрующими контурами. Основной недостаток при таком построении — низкий КПД фильтрующего контура, из-за этого ухудшаются энергетические характеристики всего УМ (снижается КПД). Немаловажное значение имеют широкодиапавонные свойства, ведь при таком построении коэффициент перекрытия по частоте, для УМ с параллельным формирующим и последовательным фильтрующим контурами составляет Kf = 1,4...1,5, для остальных схем УМ класса Е с фильтрующим контуром он меньше. Проводится анализ УМ класса Е при пониженной нагруженной добротности фильтрующего контура, даются расчетные коэффициенты для работы схем в оптимальном режиме. В качестве высокодобротного фильтрующего контура предлагается использование многозвенных ФНЧ или ПФ, что, как ожидается, позволит не только снизить потери в фильтре, но и повысить коэффициент перекрытия по частоте УМ.
монического напряжения (тока) в Лн, т.е. снизить уровень высших гармоник до нуля можно установкой между ФК и /?( дополнительного фильтрующего контура
£>Ф1СФ1 ■ В частности, этот контур настраивается на рабочую частоту <у0 и имеет высокую нагруженную добротность >10. При выполнении второго условия он обеспечивает близкое к гармоническому напряжение (ток) в Яи.
Практически ставить фильтрующий контур с высокой нагруженной добротностью нецелесообразно по двум причинам:
1. Низкий КПД этого контура: /7 = 1- 0„[/0хх . где - нагруженная добротность первого последовательного или параллельного фильтрующего контура, Q x -его добротность в режиме холостого хода.
При (?и|=10..20 и = 100..200 потери в фильтрующем контуре могут быть не только соизмеримы с потерями в усилительном элементе, которые, например, для современных полевых транзисторов могут составлять менее 3..5%, но и превосходить их.
2. Уменьшается широкодиапазонность всего УМ. Для работы в широком диапазоне частот необходима тщательная подстройка фильтрующего контура в соответствии с изменением частоты входного сигнала.
В качестве преодоления этих недостатков предлагается использовать ключевой УМ класса Е с невысокой добротностью <2Л = 1 ...3 первого фильтрующего ЬФСФ контура, а для получения необходимого уровня их фильтрации в , а также для достижения наибольшей широко-диапазонности, надо помимо первого или вместо одного фильтрующего /,ФСФ контура ставить несколько фильтрующих ЬФСФ контуров или £С звенья в виде ФНЧ.
Это могут быть многозвенные полосовые фильтры (ПФ), либо ФНЧ, например, полиномиальные фильтры Чебышева или эллиптические фильтры Кауэра. У обоих этих, в частности ПФ, эквивалентная нагруженная добротность
первого звена — последовательного (параллельного) ^Ф\СФ1 контура может быть невысокой — 2..3 и ниже. Это значит, что в нем будет протекать ток (или формироваться напряжение) негармонической формы. Однако дополнительную филырацию высших гармоник до необходимого уровня обеспечивают второй или второй плюс третий и т.д. фильтрующие контура, также с относительно низкой нагруженной добротностью. Хотя число контуров увеличивается, но при обеспечении заданного уровня фильтрации высших гармоник суммарные потери в них могут не возрастать, а даже снижаться. Дело в том, что в ПФ в первом приближении фильтрация определяется произведением, а потери — суммой нагруженных добротностей /7-контуров. Поэтому для заданного уровня фильтрации существует оптимальное число (топт) контуров, а
значит - оптимальное значение Qн, при которых в них
будут обеспечиваться наименьшие суммарные потери [4]. В тоже время, поскольку в формировании импульсов тока и напряжения на выходных электродах транзистора принимают участие не только ФК, но и фильтрующая цепь вместе с сопротивлением нагрузки, то в схеме УМ не будет сохраняться расчетный оптимальный режим, как при £?„|=Ю, и потребуются другие величины
I, С, •
//яуш '/три
Проводится анализ трех схем УМ класса Е с фильтровой нагрузкой при пониженной нагруженной добротности первого <2Л последовательно или параллельного
фильтрующего контура, в качестве дополнительной фильтрующей цепи используется второй параллельный или последовательный Сф, контур. Получены расчетные значения элементов ФК, а также дополнительные коэффициенты необходимые для проектирования.
Моделирование УМ класса Е при различной нагруженной добротности первого фильтрующего конгура
Исследуемые схемы УМ класса Е представлены на рис.1. На рис.1,а — УМ класса Е с параллельным Ьфчн.Сф.ги формирующим и последовательным 1ФСФ фильтрующим контурами, рис 1,6,в — УМ класса Е с
Г-образным £ формирующим и последователь-
ным, либо параллельным ЬФСФ фильтрующими контурами. Рядом со схемами приводятся временные зависимости тока / (<э/) и напряжения ек,1 {со!) на эквивалентном ключе в оптимальном режиме, для случая оптимального режима, когда длительности открытого и закрытого состояний равны г = 180". На зависимостях отмечены
ставляющие тока /(|, напряжения Еи.
Исследование проводилось в среде схемотехнического моделирования Мюгосар 9. В качестве усилительного элемента использовалась модель МДП-транзистора с индуцированным каналом п-типа 1Ш-'441. Частота, на которой выполнялось моделирование, составляла 100 кГц; напряжение питания - 100 В. Для обеспечения
гармонического напряжения в /си за первым фильтрующим контуром £Ф|СФ| устанавливался дополнительный второй £ф,Сф; либо последовательный, либо параллельный фильтрующий контур. Его нагруженная добротность выбиралась достаточно большой (Qu, =10), считая, что
на нем формируется гармоническое напряжение или протекает гармонический ток. Нагруженная добротности первого фильтрующего контура менялась от 10 до минимально возможной с шагом 1. При каждом изменении для установления оптимального режима осуществлялась подстройка элементов [< С, .
■ XI
На рис. 2 представлена схема УМ класса Е с параллельным формирующим (£,<7,), первым последовательным ( £,С,) и вторым параллельным (£С,) фильтрующими контурами. На рис. 3 показаны временные зависимости токов и напряжений в транзисторе (эквивалентном ключе), а также ток в последовательном ЬФСФ контуре при нагруженной добротности ()л =10 и 1. Видно, что при снижении Ql|^ до 1 ток в £,С, становится не гармоническим.
_6
форм ** Сф
к
'Е„ = 1о 0
,г
Цш!)
1 чмс
О:
е((0()
С МАКС
Г\
\
\ Е„ Л"
2л
е(ш!)
,,С |((Ц1)
\
2л о>1
е((1>0 смисс
ЦсоО
/..V
2л 0)1
Рис. I. а) УМ с параллельным формирующим и последовательным фильтрующим контурами б), в) УМ с Г-образным формирующим и последовательным/ параллельным фильтрующими контурами
Выводы
Компьютерный эксперимент подтвердил, что при уменьшении ( фильтрующего контура необходима
подстройка элементов ФК для восстановления оптимального режима. В схеме на рис. 2 при снижении £?я| с 10
до 1 без коррекции ФК, КПД падает с 99 до 67%. При подстройке элементов ФК оптимальный режим сохраняется при снижении QlЛ вплоть до 1, а при дальнейшем
снижении Q||] его получить не удается.
Схема УМ с Г-образным формирующим и последовательным фильтрующим контуром при снижении нагруженной добротности Qл до 0, переходит в схему с
Г-образным формирующим и параллельным фильтрующим контурами и наоборот. В этих же схемах при включении второго фильтрующего контура, при снижении £>и1 с 10 до 0 КПД снижается с 99 до 85%. С учетом же коррекции ФК, КПД в схемах не снижается ниже 98%, вплоть до () ,= 1.
Полученные коэффициенты а, и ас позволяют быстро рассчитывать элементы ФК при низкой нагруженной добротности первого фильтрующего контура. Па практике вместо второго фильтрующего контура с высокой нагруженной добротностью предлагается использование многозвенных ФНЧ или ПФ.
Литература
1. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме / Пол ред. И.А. Попова. - М.: Радио и Связь. 1985.-192 с.
2. Проектирование радиопередатчиков. Учеб. Пособие для вузов / В.В. Шахгильдян, М.С. Шумилин, В.Б. Козырев и др.; Под ред. Шахгильдяна В.В. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 2000. - 656 с.
3. A. Grebennikov. N. О. Sokal. Switch mode RP power amplifiers - 30 Corporate Drive, Suite 400, Burlington, MA, USA Linacre House, Jordan Hill, Oxford, UK. 2005.
4. Козырев В.Б. Полосовые фильтры с минимальными потерями на центральной частоте // Радиотехника, т.25, №8, 1970. -С.88-95.
Switch mode power amplifier Class E at low loaded Q-quality filter circuit A. Vasiliev, A. Dolgov, N. Kandaurov, V. Kozyrev
Abstract
Switch mode power amplifiers (PA) Class E have been known for a long time, and their analysis is carried out by many researchers. At the same time one of the main conditions of the initial analysis - this is a high loaded Q-quality filter circuit. Is it necessary? Yes, on this condition in a load of power is allocated only the main (first) harmonic, but the practice and theoretical calculations show that it is often not profitable to build a Class E PA with a high-Q-quality filter circuits. The main weakness in this construction - low efficiency of the filter circuit, because of deteriorating power characteristics of the PA (reduced efficiency). Equally important are the properties of wide-range, because with such a construction frequency ratio for the PA forming a parallel and a serial loop filter is 1,4...1,5, for other schemes PA Class E with a filter circuit is smaller.
In the paper analyzes the PA class E at low loaded Q-quality of the filter circuit, given the estimated coefficients for the operation of the circuit in normal mode. As a high-loop filter is proposed to use ladder-type PF or LPF, which is expected to allow not only to reduce the losses in the filter, but also to increase the frequency ratio of the PA.
Keywords: power amplifiers, high efficiency, bandwidth, class E, Q-qualily.
