4.3: Комутаційні підсилювачі, класи D, E та F
- Page ID
- 34232
Комутаційні підсилювачі є найефективнішими радіочастотними підсилювачами, але також найскладніші в розробці. З лінійними підсилювачами, такими як підсилювачі класу A, B, AB та C, є помітна одночасна напруга на транзисторі та струм, що протікає через нього. Таким чином потужність розсіюється в транзисторі в такому підсилювачі. Лінії навантаження постійного та змінного струму на транзисторному виході лінійного підсилювача по суті збігаються, як видно на вихідній характеристиці транзистора, показаної на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). Лінія навантаження постійного струму - це пряма лінія, а лінія навантаження змінного струму тісно слідує за лінійною лінією навантаження постійного струму; звідки походить лінійний лінійний підсилювач. Навіть коли реактивні ефекти призводять до петлі лінії навантаження змінного струму (і невеликий цикл видно на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а)), термін лінійний підсилювач все ще використовується.
4.3.1 Динамічні форми хвиль
У комутаційному підсилювачі мало напруги на виході транзистора, коли через нього протікає струм, і невелика напруга, коли є струм. Це видно в лінії навантаження змінного струму, яку також називають динамічною лінією навантаження, комутаційного підсилювача, показаного на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b). Ця лінія навантаження виходить завдяки пильній увазі до навантаження транзистора на гармоніках.
Динамічна лінія навантаження комутаційного підсилювача отримується шляхом подання відповідних гармонічних імпедансів на вихід транзистора. Конкретна схема гармонічного припинення (наприклад, коротких або розімкнутих ланцюгів на парних і непарних гармоніках) призводить до позначення комутаційного підсилювача як класи D, E, F і т.д. ключовою характеристикою всіх комутаційних підсилювачів є те, що при наявності струму через транзистор виникає незначне напруга поперек виходу [14, 15, 16, 17, 18, 19, 20]. Також при наявності напруги на транзисторі через нього мало струму (див. Малюнок\(\PageIndex{1}\) (б)).
Комутаційні підсилювачі є концептуальним відходом від лінійних підсилювачів класу A, AB, B і C. Форми вихідних транзисторних сигналів комутаційного підсилювача та підсилювачів класу A, AB, B та C показані на малюнку\(\PageIndex{2}\). Знову видно, на малюнку\(\PageIndex{2}\), що для комутаційного підсилювача напруги і форми хвиль струму зміщуються і напруга на транзисторі і струм через нього не відбуваються одночасно. Потужність, що розсіюється транзистором, - це середнє значення добутку струму через нього і напруги на виході. Таким чином, ідеальний комутаційний підсилювач споживає дуже мало енергії постійного струму, передаючи майже всю потужність постійного струму на вихідний радіочастотний сигнал. Смугова фільтрація виходу підсилювача призводить до кінцевого радіочастотного виходу з невеликим спотворенням. Комутаційні підсилювачі є кращим підсилювачем як в телефонах, так і в базових станціях стільникових систем.
Теоретична максимальна ефективність доданої потужності, досягнута різними класами підсилювачів з синусоїдальним вхідним сигналом, наведені в табл\(\PageIndex{1}\). За допомогою модульованих сигналів максимальна ефективність не може бути досягнута, оскільки, як правило, середня вхідна потужність підсилювача повинна бути відмовлена співвідношенням потужності огинаючої потужності (PMEPR) сигналу, щоб пікова несуча частина сигналу мала обмежене спотворення. Як правило, прийнятне спотворення пікового сигналу відбувається в точці\(1\text{ dB}\) стиснення підсилювача. Це лише приблизне керівництво, але корисне. PMEPRs декількох цифрово модульованих сигналів наведені в таблиці\(\PageIndex{2}\) разом з їх впливом на ефективність. Якщо носіїв два, то ПМЕПР
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Лінії навантаження постійного та радіочастотного струму. Лінію навантаження змінного струму також називають динамічною лінією навантаження.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Форми вхідних і вихідних сигналів транзистора для різних класів підсилювача. Вихідна напруга вимірюється на транзисторі (ах), а струм - через транзистор (и).
| Клас підсилювача | Максимальна ефективність |
|---|---|
| Клас A (резистивний зміщення) | \(25\%\) |
| Клас A (індуктивний зміщення) | \(50\%\) |
| Клас B | \(78.53\%\) |
| Клас C | \(100\%\) |
| Клас D | \(100\%\), але зазвичай\(75\%\) |
| Клас E | \(96\%\) |
| Клас F | \(88.36\%\) |
Таблиця\(\PageIndex{1}\): Теоретичні максимальні коефіцієнти корисної дії класів підсилювачів з синусоїдальним збудженням.
комбінований сигнал буде вище, вимагаючи ще більшого зворотного відключення підсилювача [21]. На практиці досягнута ефективність буде відрізнятися від цих теоретичних значень. Це пов'язано з тим, що PMEPR не повністю фіксує статистичний характер сигналів і через кодування та інші технології, які можуть бути використані для зменшення PMEPR цифрової схеми модуляції.
4.3.2 Кут провідності
Кут провідності вказує на частку часу підсилювальний пристрій, як правило, транзистор, проводить струм з кутом провідності, що\(360^{\circ}\) вказує на те, що підсилювальний пристрій завжди включений. Думка полягає в тому, що посилюється синусоїдальний сигнал, що є доцільним, оскільки більшість схем зв'язку виробляють радіочастотний сигнал, який виглядає як синусоїдальна хвиля з дуже повільно мінливою амплітудою та фазою. Підсилювачі класу А проводять струм протягом усього радіочастотного циклу і тому мають кут провідності\(360^{\circ}\). Підсилювач класу B зміщений так, що тільки половина синусоїди виробляється на
| Сигнал | ПМЕПР \((\text{dB}\)) |
Коефіцієнт зниження ефективності | Клас A (L зміщення) PAE |
Клас Е ПАЕ |
|---|---|---|---|---|
| FSK (ідеально) | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(0\) | \(1.0\) | \(50\%\) | \(96\%\) |
| ГМСК | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(3.0\) | \(0.501\) | \(25.1\%\) | \(48.1\%\) |
| QPSK | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(3.6\) | \(0.437\) | \(21.9\%\) | \(42\%\) |
| \(\pi /4\)ДПСК | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(3.0\) | \(0.501\) | \(25.1\%\) | \(48.1\%\) |
| КОПСК | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(3.3\) | \(0.467\) | \(23.4\%\) | \(44.8\%\) |
| \(8\)-PSK | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(3.3\) | \(0.467\) | \(23.4\%\) | \(44.8\%\) |
| \(64\)-QAM | \ (\ текст {дБ}\)) ">\(7.8\) | \(0.166\) | \(8.3\%\) | \(15.9\%\) |
Таблиця\(\PageIndex{2}\): Зниження ефективності за рахунок типу модуляції для одного модульованого носія. Підсилювач класу А використовує індуктивне зміщення стоку. Збільшення PMEPR призначено для декількох носіїв. Наприклад, для GMSK PMEPR\(= 3.01\text{ dB}\)\(6.02\text{ dB}\),,\(9.01\text{ dB}\),\(11.40\text{ dB}\)\(14.26\text{ dB}\), і\(17.39\text{ dB}\) для\(1,\: 2,\: 4,\: 8,\: 16,\) і\(32\) носіїв відповідно. PMEPR не збільшується\(3\text{ dB}\) кожен раз, коли кількість носіїв подвоюється, оскільки статистично піки оболонки окремих носіїв рідше вирівнюються для більшої кількості носіїв.
вихід, тому підсилювач класу B має кут провідності\(180^{\circ}\). Підсилювач класу AB має кут провідності між зміщенням\(180^{\circ}\) і\(360^{\circ}\) зі зміщенням, або можна сказати кут провідності, відрегульований таким чином, щоб вироблене спотворення було прийнятним. Підсилювач класу C виробляє вихід менше половини вхідної синусоїди, і тому він має кут провідності менше\(180^{\circ}\).
Комутаційні підсилювачі мають високу ефективність, гарантуючи, що через транзистор протікає мало струму, коли на ньому є напруга. Таким чином, комутаційний підсилювач ідеально або повністю включений або повністю вимкнений. В ідеалі струм протікає протягом половини часу, і тому кут провідності є\(180^{\circ}\). Однак транзистор повинен переходити між цими областями і кут провідності вказує на ступінь перекриття. Щоб мінімізувати перекриття, кут провідності фактичного комутаційного підсилювача менше\(180^{\circ}\).
4.3.3 Клас D
Підсилювач класу D був першим типом комутаційного підсилювача, розробленого. Основна концепція підсилювача класу D полягає у використанні транзистора як перемикача, так що через транзистор протікає незначний струм, коли на ньому є напруга. Аудіоформа підсилювача класу D показана на малюнку\(\PageIndex{3}\) (а) [14]. Два транзисторні входи мають однаковий радіочастотний сигнал, але зрушені на рівні (але схема для цього була опущена, а також відповідна схема зміщення). Кожен транзистор наближає роботу класу C, тому одночасно включається лише один транзистор. Форми хвиль струму і напруги показані на малюнку\(\PageIndex{3}\) (в). Транзистори приводять в дію резонансний контур з смуговим фільтром\(L_{1}\) і\(C_{1}\) виступаючи в ролі смугового фільтра. Фільтр зменшує спотворення форм хвилі напруги та струму, представлених вихідному навантаженню, але призводить до того, що підсилювач є вузькосмуговим. Цей підсилювач класу D дуже добре працює на частотах до декількох мегагерц. Над цим транзистори, що мають протилежну полярність, погано підібрані. У РФ більш відповідний підсилювач класу D, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\) (b) [14, 15, 19, 22], де в цьому випадку використовуються два НМО транзистори, оскільки вони мають більшу рухливість, ніж транзистори PMOS. Паразитарні реактивні опори призводять до значного перекриття областей переходу струму та напруги, і, отже, відбувається втрата потужності РФ в
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Підсилювач класу D: (а) низькочастотна форма; (б) мікрохвильова форма; і (в) форми хвиль струму і напруги (де\(v_{x}\) напруга стік-джерело і\(i_{x}\) струм стоку), що вказують, який транзистор включений.
Малюнок\(\PageIndex{4}\): Підсилювач класу E.
транзистори. Цю втрату можна зменшити за допомогою альтернативної форми підсилювача класу D, званого струмовим підсилювачем класу D, який перемикає струм, а не напругу [23]. Ефективність навколо\(75\%\) досягається.
4.3.4 Клас Е
Підсилювач класу E [15, 17] будується на концепції підсилювача класу D використання транзистора як перемикача, а не як лінійного підсилювача. Підсилювач RF класу E показаний на малюнку\(\PageIndex{4}\). Схема, показана, використовує два MOSFETS,\(M_{1}\) будучи комутаційним транзистором і\(M_{2}\) діючи частково як активне навантаження. Основна функція\(M_{2}\) полягає в тому, щоб перевести струм стоку\(M_{1}\) в напругу на виході. Зсув забезпечується через\(L_{\text{CHOKE}}\), що представляє високий радіочастотний імпеданс. \(L_{1}\)і\(C_{1}\) забезпечити функцію смугової фільтрації, в той час як\(L_{2}\) і\(C_{2}\) забезпечити узгодження з навантаженням, так що імпеданс дивиться в\(L_{2}\),\(C_{2}\) і\(R_{L}\) мережа є оптимальним опором,\(R_{\text{opt}}\). Схема сконструйована так\(L_{\text{CHOKE}}\), що паразитична вихідна ємність транзисторів,\(L_{1}\)\(C_{1}\), і\(R_{\text{opt}}\) утворюють затухаючий коливальний контур. Два МОП-транзистора також можуть бути замінені одним транзистором, як правило, транзистором HBT, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\), а іноді конденсатор додається з верхньої частини транзистора на землю, якщо паразитна ємність транзистора недостатня. Так на виході транзисторів є паралельна\(LC\) схема на землю.
Малюнок\(\PageIndex{5}\): Підсилювач класу F.
(\(L_{\text{CHOKE}}\)І паразитарна ємність\(M_{2}\)) і послідовний\(LC\) ланцюг (\(L_{1}\)і\(C_{1}\)). Коли транзистори вимкнені (і мають високу напругу на них), послідовна\(LC\) схема забезпечує струм на паралельну\(LC\) ланцюг, а також\(R_{\text{opt}}\), замість того, щоб струм проводився через транзистори. При включенні транзисторів (і мають мало напруги на них), коливання протікають в зворотному напрямку і струм подається на\(R_{\text{opt}}\) транзистори. Це коливальний механізм з опором, що\(R_{\text{opt}}\) забезпечує демпфування. Конструкція відповідає частоті власних коливань з частотою радіочастотного сигналу.
4.3.5 Клас F
У підсилювачі класу Е напруга на стоку/колекторі транзистора становить приблизно квадратну хвилю, а струм транзистора наближається до половини синусоїди. Підсилювач класу F робить цей крок далі і реалізує приблизну квадратну хвилю струму через транзистори, а також позафазну квадратну хвилю напруги [14, 15, 19]. Це досягається за допомогою гармонійного резонансу.
Підсилювач класу F показаний на малюнку\(\PageIndex{5}\), де вузькосмуговий радіочастотний сигнал має центральну частоту\(f_{0}\). Знову\(M_{1}\) працює як комутатор, що виробляє квадратну хвилю напруги на виході транзисторів. Паралельна\(L_{1}C_{1}\) схема налаштована на третю гармоніку радіочастотного сигналу (тобто\(3f_{0}\)), і ця паралельна схема забезпечує струм третьої гармоніки при виключенні транзисторів. \(L_{1}C_{1}\)Схема є приблизним коротким замиканням при\(f_{0}\), а паралельна\(L_{2}C_{2}\) ланцюг, налаштована на резонансну при\(f_{0}\), представляє обрив ланцюга при\(f_{0}\) і коротке замикання на гармоніках. Чистий результат полягає в тому, що форма хвилі струму, що проходить через транзистори, є розумною квадратною хвилею з першою та третьою гармоніками і без другої гармоніки (зверніть увагу, що квадратна хвиля складається лише з непарних частотних компонентів). Також врахуйте, що струм третьої гармоніки не проходить через навантаження. Цю концепцію можна продовжувати забезпечувати подібну поведінку і на п'ятій гармоніці, але потім стає все важче налаштувати дизайн для роботи за призначенням. Коли хвилі напруги і струму квадратні, тим нижче перекриття, і тим нижче потужність, що розсіюється в транзисторах.
4.3.6 Інвертовані підсилювачі
Описані вище комутаційні підсилювачі класу D і F призначені для перемикання напруги між двома станами. Подвійними з них є перевернутий підсилювач класу D [20, 23, 24, 25] і перевернутий підсилювач класу F [26, 27, 28, 29]. Конструктивний задум полягає в тому, що транзистори в цих підсилювачах перемикають струм, а не напругу. Їх ще називають підсилювачами струму.
4.3.7 Резюме
Переваги ефективності комутаційних підсилювачів значні і часто виправдовують більш високу вартість конструкції. Вони використовуються в підсилювачах потужності на більшості базових станцій і починають використовуватися в мобільних телефонах. При високих мікрохвильових та міліметрових частотах стабільність проблем, а висока вартість дизайну означає, що багато підсилювачів продовжуватимуть залишатися лінійними підсилювачами протягом деякого часу.