Баранов А В

ТОВ «Ельдорадо» м Нижній Новгород, вул Ларіна, 1, 603107, Росія тел: 832-664482, e-mail: eldorado@sandyru

Анотація – Запропоновано новий високочастотний варіант побудови підсилювачів в режимі класу «Е» з послідовною ключу індуктивністю Дан аналіз роботи таких підсилювачів Отримано формули для їх імпедансу навантажувальною ланцюга і максимальної робочої частоти Показано, що для розробки підсилювачів великої потужності дані формули мають важливе практичне значення Запропоновано методику побудови мікрополоскових ланцюгів на вході і виході ключового елементу Підтверджено, що з достатньою для інженерних розрахунків точністю дана методика може бути використана на практиці

I Введення

Серед відомих режимів роботи підсилювачів і генераторів клас «Е» займає особливе місце, так як він забезпечує цим пристроям коефіцієнт корисної дії (ККД), теоретично рівний 100% [1] Вперше назва режиму роботи – кпасс «Е» дано авторами публікації [2] На жаль, до виходу в світ книги [1] назва – кпасс «Е» у вітчизняній літературі практично не використовувалося, хоча подібні з кпассом «Е» режими однотакг-них кпючевих підсилювачів потужності і генераторів були відомі давно [3] Серед різноманіття способів реалізації класу «Е» найбільш високочастотним варіантом є реалізація кпасса «Е» в підсилювачах на основі ліній з розподіленими параметрами [4], де в якості шунтуючого конденсатора на виході ідеального кпюча використовується лінійна вихідна ємність транзистора Разом з тим, саме ця ємність і обмежує максимальну частоту роботи підсилювачів в класі «Е і, особливо, підсилювачів великої потужності У цьому звязку, в даній роботі пропонується новий високочастотний варіант побудови підсилювачів потужності в класі «Е» Причому даний варіант підходить і для побудови підсилювачів великої потужності

II Основна частина

Припустимо, що схему однотакгного ключового підсилювача потужності можна звести до схеми простого контуру першого порядку (див Рис1) Тут S – ідеальний кпюч, Ls – сумарна індуктивність на виході кпюча, Vc {Q), lc {Q) – напруга на ключі і струм, що протікає через нього На кпюч S і індуктивність Ls впливає еквівалентний джерело живлення \ / s (Θ) з постійною складовою Vds і змінної синусоїдальної складової з амплітудою-Vosa і з повною фазою (Θ + φ), де Θ = Wst, а ® s – кутова частота вхідного сигналу Постійні величини

знаходяться з основних для режиму кпасса «Е» усло-вий: / с (Θ) = О при Θ = π і d / с (Θ) / d Θ = О при Θ = π

У рамках стандартних для кпасса «Е» наближеннях [2,4] схема на Рис 1 описується рівняннями, які є дуальними по відношенню до рівнянь, отриманим в [4] для класичної схеми з

шунтової кпюч ємністю Cs Тобто, якщо в рівняннях, що описують схему на Рис1, замінити еквівалентний джерело напруги \ / s (Θ) – на відповідний джерело струму, і формально поміняти місцями величини: Ls і Cs, Vc {Q) та / с (6), їх постійні складові Vds і Ids і їх максимальні значення Vmax І Imax, ТО МОЖНА отримати аналогічні [4] рівняння, і навпаки Наприклад, для роботи цих схем в класі «Е» приблизні максимальні частоти (fmax) знаходяться наступним чином:

Ці рівняння визначають для оптимального режиму кпасса «Е» деяку частотну кордон, за межами якої кпасс «Е» може бути реалізований тільки в певному наближенні, тобто зі зниженням максимально досяжного ККД Очевидно, щоб підвищити fmax У схемі на Рис 1 необхідно збільшувати Vmax і зменшувати Ls і Ids-Слід зазначити, що тут зменшення індуктивності Ls обмежується тільки можливостями її практичної реалізованості Це означає, що в запропонованій схемі підсилювача частотна межа для оптимальної реалізації кпасса «Е» може бути відсунута в більш високочастотну область У дуальної ж схемою [4] для підвищення fmax, необхідно збільшувати Imax і зменшувати Cs і Vds-Оскільки лінійна вихідна ємність кпюча є нерегульованим параметром, зменшити її можна тільки шляхом перебору транзисторів Причому на практиці параметри Imax, Cs і Vds Для транзисторних кпючей такі, що розрахункові значення fmax для класичної схеми [4] невисокі і для подальшого збільшення робочих частот залишається тільки знижувати напруги живлення Vds-Це, як правило, призводить до зменшення рівнів вихідної потужності підсилювачів Запропонована ж схема в режимі кпасса «Е» значно розширює в СВЧ діапазоні номенкпатуру транзисторів, використовуваних як кпючей Наприклад, в якості кпючей замість низьковольтних GaAsFET можуть бути використані високовольтні MOSFET транзистори Отже, у запропонованій схемою підсилювача можна очікувати і більш високі рівні вихідної потужності

Рис 1 Еквівалентна схема в режимі класу «Е»

Fig 1 Equivalent circuit of class E power amplifier

Для розглянутого підсилювача отриманий імпеданс його вихідний навантажувальної ланцюга (Ζβ «χί):

Таким чином, умови існування режиму кпасса «Е» – це певний імпеданс Zeuxi »a ос

новной частоті Ws і умова холостого ходу на всіх її гармоніках Отримані формули для fmax і Zβиx1β, зюτ чіткі рекомендації, як у розглянутому підсилювачі в режимі класу «Е» побудувати вихідний ланцюг На основі цих формул пропонується інженерна методика проектування підсилювачів великої потужності Суть даної методики полягає в тому, що вхідна і вихідна ланцюга підсилювачів в класі «Е» повинні налаштовуватися один під одного Спочатку синтезується оптимальна для класу «Е» вихідна ланцюг, використовуючи оціночні значення Cs і Ls ключа при початковому налаштуванні його вхідний ланцюга Потім оптимальна настройка вихідний ланцюга і сумарне значення Ls ключа залишаються незмінними, і вже вхідні ланцюг перебудовується під них За допомогою запропонованої методики розроблені і виготовлені підсилювачі в класі «Е» з вихідною потужністю 8 і 60 Вт Вони працюють при напрузі живлення 168 В на частоті 925 МГц і виконані на LDMOSFET транзисторах типу MRF282S На Рис

2 представлені графіки амплітудної характеристики першого підсилювача (крива 1) і залежності його ККД від вхідної потужності (крива 2) Другий підсилювач являє собою 8-канальний пристрій, де в якості канального підсилювача використовується підсилювач першого типу При підсумовуванні потужностей використані ЗдБ квадратурні мости типу [5] У цьому випадку максимальний ККД підсилювача з вихідною потужністю 60 Вт досягає 71%

Рис 2 Амплітудна характеристика підсилювача в класі Е і його ККД по доданої потужності

Fig 2 Output power and РАЙ as a function of input power for the class-E amplifier

III                                  Висновок

Використовуючи новий високочастотний варіант побудови підсилювачів в режимі класу Е, продемонстрована можливість розробки підсилювачів потужності з вихідною потужністю 8 і 60 Вт З достатньою для інженерних розрахунків точністю запропонована тут методика побудови мікрополоско-вих ланцюгів на вході і виході ключового елемента може бути використана на практиці Максимальні значення ККД розроблених підсилювачів складають 75% і 71% відповідно

IV                          Список літератури

[1] Крижанівський В Г Транзисторні підсилювачі з високим ККД – Донецьк: Апекс, 2004 – 448 с

[2] Sokal N О, Sokal А D Class Е – а new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers IEEE Journal of Solid-State Circuits -V SC-10, 1975, 3, p168-176

[3] Артим A Д Ключовий режим роботи генераторів високої частоти Радіотехніка, Т 24, 1969, 6, с 58-64

[4] Mader Т В, Bryerton Є І /, Markovic М et а. Switched-mode high-efficiency microwave power amplifiers in a free-space power-combiner array IEEE Trans, on MTT – V 46, 1998, 10, p 1391-1398

[5] Fisher R E Broad-band twisted-wire quadrature hybrids IEEE Trans, on MTT – V MTT-21, 1973, 5, p 355-357

DESIGN OF MICROWAVE HIGH-POWER CLASS-E AMPLIFIERS

Baranov A V

Limited Liability Company «Eldorado»

Nizhny Novgorod, 603107, Russia Ph: 832-664482, e-mail: eldorado@sandyru

Abstract-Anew microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance is presented Approximate maximum frequency of class E operation amplifier and its load network impedance are determined The method of input and output transmission-lines amplifier design is also presented The method is proved in order to satisfy experience with good accuracy

I                                         Introduction

Class E power amplifier offers efficiency approaching theoretically 100 percent [1] The Sokals were the first to call class E amplifier [2], while similar amplifiers were known long ago [3] There are several configurations of such amplifier Mader et al introduced the new microwave transmission-line class E amplifier [4] Here shunt switch capacitor was the linear output transistor capacitor It is just capacitor that limits maximum operation frequency and output power for class E amplifiers In order to increase the frequency and output power the new microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance is suggested

II                                        Main Part

Assume that class E power amplifier may be reduced to simple first-order circuit in Fig 1, using standard class E assumptions

[2,4]   Here S – switch, Ls – overall series switch inductance, Vc (Θ) – switch voltage, (Θ) – current, \/s (Θ) – equivalent voltage source, which consists of constant DC Vos and sinusoidal RF component with magnitude -Vdso and phase (Θ + φ), where Θ = fflsf, and Os – switching frequency The two main conditions for class E operation: /^(θ) = 0 at Θ = π and d /^(θ) / d Θ = 0 at Θ = π determine constants a and φ uniquely All equations of the circuit in Fig 1 are dual to the circuit in [4] For example, for both circuits the approximate maximum frequencies (fmax) of class E operation are defined by the following expressions:

In order to increase f„ax values Ids and Ls (or Vos and Cs) must be decreased But the value Cs can’t be decreased, because its adjustment is impossible The value Ls may be decreased Therefore for the circuit in Fig 1 operating frequency is higher Very likely output power is also higher, since the circuit may be designed on high voltage MOSFET For the circuit in Fig 1 the external load network impedance {Ze^xd can be obtained:

In order to ensure class E operation, the specific fundamental impedance Zeb„,and open-circuit conditions at all of the higher harmonic frequencies should be introduced Using the formulas obtained, input and output transmission-line circuits have been developed The circuit design method consists of the following Both circuits are to be adjusted mutually At first output transmis- sion-line circuit is developed, using Ls and Cs estimations for primary adjusted input circuit Then optimal output circuit state and overall Ls remain invariable, but the input circuit is adjusted Class E amplifiers with 8 and 60 W output power have been manufactured using the method described above Both amplifiers operate at 925 MHz and use LDMOSFET MRF282S Class E amplifiers have power-added efficiency 75 % and 71 % accordingly

III                                       Conclusion

Using the new microwave configuration of class E amplifier with series switch inductance the design of amplifiers with 8 and 60 W output power is demonstrated The method of input and output transmission-line design is proved to satisfy experience with good accuracy

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р