4.8: Розширені архітектури підсилювачів потужності

Центральним завданням конструкції підсилювача потужності є торгівля енергоефективністю та спотворенням. До цього часу обговорення було зосереджено на ефективному проектуванні однотранзисторних підсилювачів. У цьому розділі описано декілька архітектур, які дозволяють компромісу ефективність-спотворення перейти на більш високий рівень. Три обговорювані архітектури - це підсилювач Доерті, підсилювач відстеження конвертів, підсилювач LITMUS та підсилювач LINC.

4.8.1 Підсилювач Доерті

Підсилювач Доерті покращує лінійність і досягає високої ефективності за рахунок використання двох підсилювачів, один називається підсилювачем несучої, а інший - піковим підсилювачем [45, 46, 51, 52, 53, 54, 55]. Основна конфігурація підсилювача Доерті показана на малюнку\(\PageIndex{1}\) (а). Тут вхідний сигнал розділений і половина застосовується до підсилювача несучої, як правило, підсилювач класу AB з низьким спотворенням, який підсилює невеликі сигнали. Однак зі збільшенням вхідного сигналу цей підсилювач стає нелінійним і насичує, як показано на малюнку\(\PageIndex{1}\) (b). Інший підсилювач, як правило, є підсилювачем класу C і не підсилює невеликі сигнали, але, як вхід стає більшим, підсилювач включається. Підсилювач Доерті має високу лінійність, так як при високих вхідних потужностях включена характеристика пікового підсилювача доповнює насиченість підсилювача несучої. Істотна операція полягає в тому, що вхідний сигнал розділений і половина зміщується на\(90^{\circ}\). На виході цей фазовий зсув узгоджується з\(90^{\circ}\) електричною довжиною лінії електропередачі на виході підсилювача несучої. Ця лінія передачі ефективно направляє вихід підсилювача несучої до навантаження, незалежно від того, чи включений підсилювач піку. Коли він не вмикається, піковий підсилювач представляє розімкнуту ланцюг, але коли він увімкнений, він представляє імпеданс Тевеніна\(Z_{0}\). Потім ефективно поєднуються вихідна потужність як несучих, так і пікових підсилювачів.

Більш повна схема підсилювача HBT Doherty показана на малюнку\(\PageIndex{2}\). \(90^{\circ}\)Гібрид на вході розщеплює сигнали і вводить необхідний зсув фаз. Базові напруги зміщення транзисторів HBT (тобто\(V_{bc}\) і\(V_{bp}\)) регулюються так, що підсилювач несучої посилюватиме малі сигнали, але піковий підсилювач матиме характеристику класу С-подібну і включається лише для великих сигналів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Підсилювач Доерті.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Підсилювач HBT Доерті з\(90^{\circ}\) гібридом між\(P_{\text{in}}\) і входом транзисторів. Всі рядки\(\lambda /4\) (тобто\(90^{\circ}\)) довгі.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): передавач Хана з використанням ліквідації та відновлення конвертів.

4.8.2 Підсилювач відстеження конвертів

Концепція підсилювача відстеження конвертів була введена разом з передавачем Хана [56, 57, 58, 59]. Цю методику ще називають методикою ліквідації оболонки та реставрації (EER). Оригінальна концепція підсилювача [56], але оновлена для використання сучасних можливостей DSP, показана на рис\(\PageIndex{3}\). DSP працює на базовій смузі і виробляє цифровий модульований сигнал для передачі. DSP окремо виробляє сигнал огинаючої, що змінюється амплітудою, та сигнал базової смуги фазової модуляції з постійною оболонкою. Вони посилюються окремо. Це на відміну від звичайного підходу до отримання сигналу базової смуги або навіть малопотужного радіочастотного сигналу, який має повну модуляцію як з фазовими, так і амплітудними варіаціями. Фазомодульований сигнал посилюється драйвером перед введенням в ефективний підсилювач потужності, який завжди працює у високо лінійному режимі, оскільки джерело постійного струму до ПА регулюється відповідно до огинаючої кінцевого сигналу. Таким чином ПА завжди працює з піковим ККД. Ці підсилювачі мають чудову лінійність в широкому діапазоні частот.

4.8.3 Підсилювач LINC

Лінійне посилення з нелінійним компонентним (LINC) підсилювачем розділяє цифровий модульований сигнал на дві постійні компоненти огинаючої [18, 60, 61, 62]. Цей підсилювач також відомий як підсилювач вичерпання. Кожен з компонентів ефективно посилюється окремими підсилювачами, а потім рекомбінується. Концепція підсилювача показана на малюнку\(\PageIndex{4}\).

Підсилювач LINC працює наступним чином. Цифровий модульований вхідний сигнал РЧ може бути виражений як

\[\label{eq:1}s(t)=a(t)\cos[\omega t +\theta (t)] \]

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Підсилювач LINC.

У складній експоненціальній формі це стає

\[\label{eq:2}s(t)=a(t)\text{e}^{\jmath\theta (t)} \]

де\(a(t)\) описується амплітудна модуляція сигналу і\(\theta (t)\) описує фазову модуляцію сигналу. Цей сигнал розділяється роздільником компонента сигналу для створення двох компонентів,\(S_{1}′(t)\) і\(S_{2}′(t)\), з однаковими постійними амплітудами та з додатковою фазовою модуляцією, що змінюється в часі:

\[\begin{align}\label{eq:3}S_{1}(t)&=\frac{1}{2}[s(t)-e(t)]_{\text{I}}=\frac{1}{2}V_{m}\cos[\omega t+\theta (t)-\psi (t)] \\ \label{eq:4}S_{2}(t)&=\frac{1}{2}[s(t)+e(t)]_{\text{I}}=\frac{1}{2}V_{m}\cos[\omega t+\theta (t)+\psi (t)]\end{align} \]

де\(\psi (t) = \cos^{−1} [a(t)/V_{m}]\), індекс\(\text{I}\) позначає внутрішньофазну складову і\(\frac{1}{2}V_{m}\) являє собою величину сигналу напруги, що подається на кожен з ПА. \(e(t)\)Термін називається квадратурним сигналом і

\[\label{eq:5}e(t)=\jmath s(t)\sqrt{\frac{V_{m}^{2}}{a^{2}(t)}-1} \]

\(S_{1}(t)\)і\(S_{2}(t)\) ефективно посилюються окремо для отримання посилених сигналів,\(S_{1}′(t)\)\(S_{2}′(t)\) і вони поєднуються на виході\(180^{\circ}\) гібридом. З часом амплітуди\(S_{1}′(t)\) і\(S_{2}′(t)\) змінюються, але лише тоді, коли змінюється середня потужність радіочастотного сигналу. Однак в одному пакеті даних їх амплітуди залишаються однаковими.

В\(S_{2}′(t)\) ідеалі\(S_{1}′(t)\) і лінійно масштабовані версії\(S_{1}(t)\) і\(S_{2}(t)\) так, що

\[\label{eq:6}S_{1}'(t)=kS_{1}(t)\quad\text{and}\quad S_{2}'(t)=kS_{2}(t) \]

і\(k\) може бути складним. Вихід комбайнера

\[\label{eq:7}S(t)=S_{1}'(t)+S_{2}'(t)=\frac{1}{\sqrt{2}}ka(t)\cos[\omega t+\theta (t)+\phi ] \]

де\(k\) - коефіцієнт посилення кожного ПА,\(\phi\) - фазовий зсув, введений в тракті підсилювача, а коефіцієнт\(\frac{1}{\sqrt{2}}\) вводиться комбайнером. Таким\(S(t)\) чином, лінійно посилена версія\(s(t)\).

Підсилювач LINC спирається на те, що два ПА добре збалансовані, і це повинно підтримуватися для широкого кола умов, і це іноді може бути важко досягти.

4.8.4 лакмусовий підсилювач

Лінійне посилення за часом мультиплексованим спектром (ЛАКМУСОВИМ) підсилювачем [63, 64]\(\PageIndex{5}\), показане на малюнку, використовує здатність смугового фільтра

Малюнок\(\PageIndex{5}\): ЛАКМУС підсилювач. Кожен імпульс вхідного сигналу\(v_{i}\), має багато синусоїд. Для кожного імпульсу синусоїди мають різну частоту, амплітуду та відносну фазу.

об'єднувати сигнали різних частот, рознесені в часі. Це результат частотно-часової поведінки фільтрів, про яку йдеться у розділі 2.18 [2].

Найбільш поширеним способом зменшення спотворень підсилювача є встановлення середньої вихідної потужності модульованого сигналу на рівні, який нижче рівня стиснення\(1\text{ dB}\) посилення по PMEPR. Це називається відступом. Таким чином, хоча підсилювач, такий як комутаційний підсилювач або підсилювач класу С, може мати близьку до\(100\%\) ефективності для сигналу з постійною оболонкою, зворотне відключення, необхідне для модульованих сигналів з непостійними оболонками, значно знижує досяжну ефективність.

Цифровий модульований сигнал в часовому інтервалі\(\Delta t\) (збігається з одним або декількома символьними інтервалами часу) може бути розкладений на суму синусоїдів, що відрізняються амплітудою, частотою і відносною фазою [65]. (Узагальнюючи це, сигнал може бути представлений у вигляді суми постійних сигналів огинаючої.) Тепер кожна синусоїда може бути представлена імпульсом CW тривалості\(\Delta\tau ≪ \Delta t\) так, щоб кожен імпульс містив\(\Delta\tau /T\) цикли своєї синусоїдальної складової, де\(T\) - період синусоїди. Ці імпульси можна розділити за часом, як показано для вхідного сигналу\(v_{i}\), на рис\(\PageIndex{5}\). Цей вхідний ланцюг імпульсів CW, що генерується в блоці DSP, потім застосовується до входу високоефективного нелінійного підсилювача, який виробляє імпульси CW на виході нелінійного підсилювача. Вихідні імпульси CW потім об'єднуються в смуговому фільтрі. Смуговий фільтр поширює імпульси в часі і відновлює оригінальний, але тепер посилений, цифровий модульований сигнал. Під час кожного вхідного імпульсу нелінійний підсилювач підсилює постійний сигнал огинаючої, тому підсилювач може працювати в режимі високої ефективності, а насичення нелінійної схеми не викликає занепокоєння.\(\Delta\tau\) Також, оскільки окремі частотні компоненти розділені за часом в нелінійній частині ланцюга, інтермодуляційних спотворень бути не може.

Теоретично ЛАКМУСОВИЙ підсилювач повністю пригнічує інтермодуляційні спотворення, але досягнуте придушення обмежується смугою пропускання імпульсного ланцюга, а також обмежується реактивними ефектами та ефектами пам'яті в нелінійному підсилювачі, особливо ефектами основної смуги (включаючи теплові ефекти),

Вихідний спектр після посилення сигналу, розкладеного на чотири тони, показаний на малюнку\(\PageIndex{6}\) (а). Крива (i) - спектр виходу звичайного підсилювача, а крива (ii) - вихід ЛАКМУСОВОГО підсилювача. Обидва підсилювачі видають однакову середню потужність радіочастотного випромінювання на виході. Вихідна потужність кожного з чотирьох тонів дорівнює\(0\text{ dBm}\). На малюнку\(\PageIndex{6}\) (а) видно шість інтермодуляційних тонів, три нижче чотирьох основних тонів і три вище. Ці інтермодуляційні тони є тонами IM3, оскільки їх частоти можуть бути чисельно обчислені як удвічі більше частоти одного з основних тонів мінус частота одного з інших тонів. Для

Малюнок\(\PageIndex{6}\): Виміряні спектри на виході підсилювача ЛАКМУС для різної кількості вхідних тонів. Крива (i) в обох малюнках - це спектр виходу звичайного підсилювача з багатотональним вхідним сигналом. Крива (ii) - спектр виходу ЛАКМУСОВОГО підсилювача після смугового фільтра. Спайк, який видно на,\(835\text{ MHz}\) є артефактом генератора довільної форми хвилі, який використовується для отримання сигналу. Після [64].

звичайний підсилювач, найбільший інтермодуляційний тон має вихідну потужність\(−43.8\text{ dBm}\). Для підсилювача ЛАКМУС найбільший інтермодуляційний тон має потужність\(−58.1\text{ dBm}\). Інтермодуляційне спотворення зменшується на\(14.3\text{ dB}\).

Посилення сигналу, розкладеного на\(20\) тони, показано на малюнку\(\PageIndex{6}\) (б). Знову крива (i) - це спектр виходу звичайного підсилювача, а крива (ii) - вихід ЛАКМУСОВОГО підсилювача для тієї ж вихідної потужності. Тепер спектральне відростання зменшується на\(13.9\text{ dB}\).

4.8.5 Резюме

Існує багато варіацій вдосконалених архітектур підсилювачів потужності, розглянутих у цьому розділі. Ці архітектурні концепції можуть поєднуватися між собою, а також можуть поєднуватися з поняттями підсилювача комутації. Тож кількість різних концептуальних комбінацій підсилювача потужності величезна, і про них написано багато статей. Деякі топології підсилювачів вимагають високопродуктивних DSP і високопродуктивних транзисторів, а інші вимагають широкої ручної настройки кожного підсилювача. Вони впливають на вартість кожного підсилювача. Також вартість конструкції деяких підсилювачів може бути високою і зажадати від найдосвідченіших дизайнерів. Ці фактори враховуються при виборі найкращої архітектури підсилювача для конкретного застосування.