ключевой усилитель мощности

Классы МПК:H03F3/193 на приборах с использованием полевого эффекта
Патентообладатель(и):Баранов Александр Владимирович (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2008-12-11
публикация патента:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ диапазона. Технический результат: при максимально возможном КПД повышение уровня выходной мощности. Ключевой усилитель мощности содержит активный ключевой элемент, последовательный конденсатор (C1), параллельный LC 2R-контур с активной нагрузкой (R) и источник напряжения питания (Vds) с дросселем (Др) для развязки ВЧ цепей по питанию. Вход активного ключевого элемента является входом устройства. Выход активного ключевого элемента соединен с последовательным конденсатором C1, который, с одной стороны, через Др подключен к источнику Vds с другой стороны, подключен к общей точке параллельного LC2R-контура, которая, в свою очередь, является выходом устройства. Общая точка активного ключевого элемента соединена с общей шиной источника питания и второй общей точкой LC2R-контура. На выходе активного ключевого элемента с последовательным C1 реализуется импеданс нагрузочной цепи на основной частоте и всех ее гармониках вида:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Кроме того, величины основных элементов определяются из следующих соотношений:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

где ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 S - угловая частота входного сигнала, Q L - добротность нагруженного фильтрующего Lf C2-контура, ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Vds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала. 9 ил. ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Формула изобретения

Ключевой усилитель мощности, содержащий первый конденсатор C1, который с одной стороны через дроссель подключен к первой клемме источника питания, а с другой стороны - к выходу усилителя и к первому общему выводу параллельного соединения индуктивности L, второго конденсатора С2 и активной нагрузки R, образующих LC2R-контур, и активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является общей точкой, к которой подключены вторая клемма источника питания, а также второй общий вывод параллельного LC2R-контура, отличающийся тем, что один вывод первого конденсатора вместе с дросселем подключен к выходу активного ключевого элемента, а на другом его выводе импеданс нагрузочной цепи на основной частоте и всех ее гармониках определяется в виде:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ,

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ,

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

где ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 S - угловая частота входного сигнала, Q L - добротность нагруженного фильтрующего Lf C2-контура, ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 , Vds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ диапазона.

Известен усилитель мощности, работающий в ключевом режиме, который назван классом «Е». (См. Sokal N.O., Sokal A.D. Class E - a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers // IEEE Jour, of Solid-State Circuits, Vol.SC-10, No.3. June 1975, p.168-176). Такой режим работы обеспечивает усилителю КПД, теоретически равный 100%. Усилитель (см. фиг.1) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его конденсатор, последовательный LC - контур, активную нагрузку и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ цепей по питанию.

Недостатком данного устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для этого усилителя при максимально возможном КПД уровень выходной мощности Р вычисляется по формуле: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Здесь и далее Vds - напряжение источника питания, Vds(sat) - напряжение насыщения ключа, R - сопротивление нагрузки.

Известен усилитель мощности, работающий в режиме класса «Е» с шунтирующей ключ индуктивностью (см. Kazimierczuk М. Class Е tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour, of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No.1. February 1981, р.2-7). Усилитель (см. фиг.2) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую его индуктивность L, последовательный LrCf-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком известного устройства является низкий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром (см. Grebennikov A. High efficiency class В, Е and F power amplifiers: the magic of parallel circuits // Microwave Journal, December 2002, р.20-34). Усилитель (см. фиг.3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный L0C0-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.

Недостатком этого устройства является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является усилитель мощности (см. патент РФ на изобретение № 2306667 с приоритетом от 22.12.2005, H03F 3/193, Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.). Данный усилитель также работает в классе «Е», а его схема является дуальной по отношению к классической схеме усилителя Sokal N.O. и Sokal A.D. Усилитель (см. фиг.4) содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L1 разделительный конденсатор С бл, параллельный L2CR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания Vds дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.

Недостатком устройства-прототипа является невысокий уровень выходной мощности при максимально возможном КПД. Для данного усилителя уровень выходной мощности при максимально возможном КПД вычисляется по формуле: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 . Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в увеличении уровня выходной мощности при максимально возможном КПД.

Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем первый конденсатор С1, который с одной стороны через дроссель подключен к первой клемме источника питания, а с другой стороны - к выходу усилителя и к первому общему выводу параллельного соединения индуктивности L, второго конденсатора С2 и активной нагрузки R, образующих LC2R-контур, и активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является общей точкой, к которой подключены вторая клемма источника питания, а также второй общий вывод параллельного LC 2R-контура, один вывод первого конденсатора вместе с дросселем подключен к выходу активного ключевого элемента, а на другом его выводе импеданс нагрузочной цепи на основной частоте и всех ее гармониках определяется в виде:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

где ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 S - угловая частота входного сигнала, Q L - добротность нагруженного фильтрующего Lf C2-контура, ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Vds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.5. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательную емкость С1 , параллельный LC2R-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания Vds с дросселем Др для развязки ВЧ цепей по питанию.

Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.6. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение VR(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) на резисторе R имеет вид: VR(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=-Vdsasin(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )), где ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 =ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 St, ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 S - угловая частота входного сигнала, t - текущее время, а и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 - определяемые ниже величины. Во включенном состоянии (0<ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) напряжение на ключе VS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=0, тогда напряжение на конденсаторе С1, при (0<ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 <ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) VC(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=-VR(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=Vdsasin(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ). Следовательно, через конденсатор С1 протекает ток ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 , а через ключ - IS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=Ids-C1ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 SaVdscos(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ), где Ids - постоянная составляющая тока, протекающего через дроссель Др. В выключенном состоянии (при ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 2ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) ток через ключ не протекает IS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=0, тогда IC(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=Ids, а ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Здесь V(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) определяется из условия: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Следовательно, при ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 <ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 2 (напряжение на ключе можно рассчитать по формуле: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Основными условиями для режима класса «Е» в рассматриваемом усилителе являются условия: VS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=0 и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 при ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 =2ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 . Такие условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты включения напряжение VS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) и ток, протекающий через ключ, IS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) не могли иметь существенные значения одновременно, а их произведение IS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )VS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) было равно нулю. Эти два условия однозначно определяют а и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 . Учитывая, что ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 выражения для а и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 можно записать: ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 Именно при таких значениях а и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 на Фиг.6 и построены эпюры напряжений и тока, нормированные на величины Vds и Ids. Таким образом, основные формулы можно переписать в виде:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Полученные уравнения (2), (3) являются дуальными по отношению к волновым формам для схемы М.Kazimierczuk. Соответственно, предлагаемая схема является дуальной по отношению к схеме М.Kazimierczuk. Если разложить импульсы тока IS (ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) в ряд Фурье и приравнять полученный коэффициент разложения к соответствующему коэффициенту -sin(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) составляющей тока на выходе, то можно получить уравнение для величины С1:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Кроме того, если вычислить отношение коэффициентов разложения в ряд Фурье и приравнять его к отношению -cos(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) и -sin(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) составляющих тока на выходе, то можно получить уравнение для величины индуктивности LK формирующего C1 LK-контура:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Определяя величину C2 через добротность QL фильтрующего LfC2 -контура:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

а ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 то с учетом (5) можно рассчитать суммарную величину индуктивности L:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Подставляя полученную амплитуду выходного колебания ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 в выражение для выходной мощности ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 , можно получить величину R:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

С целью нахождения на основной частоте импеданса ZВЫХ1 нагрузочной цепи для ключа с емкостью С1 вычислим первую гармонику тока IВЫХ1 (ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ), используя разложение IS(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) в ряд Фурье:

IВЫХ1(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 )=-a0Vdssin(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 +ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ),

где ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 .

Теперь, поделив VR(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ) на IВЫХ1(ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 ), с учетом ранее найденных величин а и ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 можно вычислить ZВЫХ1:

ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (4) - (9), то в усилителе в полной мере будет реализован режим работы класса «Е». Если при этом считать активный ключевой элемент идеальным, то в таком усилителе может быть получен 100%-ный КПД, а уровень выходной мощности будет вычисляться при помощи формулы (8): ключевой усилитель мощности, патент № 2393624

Если напряжение питания и сопротивление нагрузки в предложенном устройстве выбрать такими же, как и V ds и R в прототипе и в аналогах, то значения числовых коэффициентов в формулах для Р будут целиком определять в каждом случае уровни выходной мощности при максимально возможном КПД. То есть в аналогах - это коэффициенты 0.577, 0.05844, 1.365, в прототипе - это 1.734, а в нашем случае - это 17.111. Следовательно, по сравнению с известными усилителями, работающими в режиме класса «Е», выходная мощность предложенного усилителя, как минимум, в 9.87 раза выше. Основное достоинство предложенной дуальной схемы заключается в том, что с ее помощью в усилителях класса «Е» можно достигать повышенные уровни выходной мощности, используя при этом ключи с пониженным напряжением питания. Кроме того, по сравнению с первым и вторым аналогом в предложенном усилителе можно ближе подойти к теоретическому пределу по КПД, так как в отличие от этих аналогов здесь нет никаких ограничений на выбор добротности контура снизу. Предложенная схема усилителя особенно хорошо может работать при очень низких значениях добротности контура ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 , где КПД, как известно, имеет более высокую величину. Вместе с тем, в первом аналоге QL принципиально не может быть меньше 2.08, а во втором аналоге добротность не может быть меньше 4.29.

Пример конкретного выполнения устройства. Усилитель мощности выполнен на GaAs FET транзисторе типа FLL120MK фирмы Fujitsu Compound Semiconductor, Inc. (сейчас Eudyna, Inc.). Усилитель работает на частоте 910 МГц. Дроссель для подачи напряжения питания к стоку транзисторного ключа реализован в виде катушки с общей индуктивностью 220 нГн. Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (1-1.5) В меньше, чем напряжение отпирания транзистора. Кроме того, уровень входного сигнала был выбран таким, чтобы транзистор работал в режиме насыщения. Эти условия необходимы для того, чтобы транзистор ближе соответствовал идеальному ключу. Если выбрать Vds =10 В, Р=7 Вт, то расчетные значения элементов формирующего контура усилителя будут следующими: С1=3.9 пФ, LK =9.96 нГн и R=244.4 Ома. Используем при проектировании выходной цепи усилителя в классе «Е» методику расчета, предложенную в работе Баранова А.В. «СВЧ усилители мощности класса «Е» дуального типа». В кн.: 17-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии». Материалы конференции [Севастополь, 10-14 сент. 2007 г.]. Севастополь: Вебер, 2007, с. 56, 57. Для этого рассчитаем импеданс нагрузочной цепи для ключа с емкостью С1. Пересчитаем активное R и индуктивное (ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 SLK=56,92 Ома) сопротивления параллельной RLK -цепи и сопротивления последовательной RLK-цепи. Тогда импеданс нагрузки ZВЫХ1=12.57+i53.98. Полученный таким образом импеданс тождественно равен импедансу, рассчитанному при помощи уравнения (9). Далее, выполнив операцию комплексного сопряжения, найдем полное сопротивление генератора на входе выходной цепи ZВЫХ1ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 =12.57-i53.98. Затем при помощи любой доступной программы моделирования синтезируем выходную цепь. Эта цепь должна обеспечить как режим согласования импеданса ZВЫХ1(с 50-Омным выходным портом, так и режим отражения на всех, кроме первой, гармониках основного сигнала. Одна из возможных выходных цепей с такими функциями изображена на Фиг.7. Параметры ее следующие: W1=0.6 мм, W2=1.5 мм, W3=5.6 мм, l1=14.1 мм, l2=17.2 мм, l3 =33.6 мм, Сбл=1 нФ. Здесь Wi и li - соответственно ширина и длина микрополосковой линии Zi, где i=1ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 3, а материал подложки - Al2O3-керамика с диэлектрической проницаемостью 9.8. Синтезированная выходная цепь полностью эквивалентна выходной LC2R-цепи, рассчитываемой при помощи уравнений (4)-(8). Для полученной выходной цепи на Фиг.8 приведены графики зависимостей на выходном порту КСВН ВЫХ (кривая 1) и модуля коэффициента отражения |S22 | (кривая 2) от частоты ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 . Из Фиг.8 видно, что на расчетной частоте имеет место практически идеальное согласование импеданса ZBЫХ1 ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 * с 50-Омным выходным трактом, так как |S 22|ключевой усилитель мощности, патент № 2393624 -60 дБ. Кроме того, значения КСВНВЫХ более 13 на частотах до девятой гармоники включительно.

Расчетные параметры всех элементов выходной цепи были реализованы в макете усилителя (см. Фиг.9). При входной мощности РВХ =0.35 Вт, Vds=10 В и токе потребления Ids =0.86 А максимальное значение его КПД по добавленной мощности составило 71.5%. Стоковый же КПД данного усилителя несколько выше и равен 75.6%. При этом фактический уровень выходной мощности составил 6.5 Вт.

Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства в СВЧ диапазоне подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях повышенной мощности. А сравнение числовых коэффициентов в формулах выходной мощности для предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что уровень выходной мощности в предложенном усилителе, как минимум, в 9.87 раза выше. Особенно важным является то, что повышенные уровни выходной мощности здесь можно достичь при использовании ключей с пониженными напряжениями питания.

Наверх