Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 22 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Шумы в электрических схемах с операционными усилителями

В статье даны основные сведения о шумах в электрических схемах. Приведены расчетные соотношения для разных схем включения операционных усилителей, позволяющие вычислить величину шумов.

Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 2

В Части 1 этой статьи (см. ЭК2) рассматривался вопрос о том, как с помощью известного метода следящей обратной связи удалить смещение постоянной составляющей в усилителе постоянного тока. В Части 2 рассматривается практический пример реализации метода следящей обратной связи, производится доработка базовой архитектуры и обобщается ее использование в ВЧ-фильтрах более высокого порядка.

Разработка аналоговых ВЧ-фильтров без конденсаторов в сигнальном тракте. Часть 1

В первой части статьи рассматривается вопрос о том, как с помощью известного метода следящей обратной связи удалить смещение постоянной составляющей в усилителе постоянного тока, причем без установки каких-либо компонентов, в т.ч. конденсаторов, в тракте сигнала. Мы разработали эквивалентную схему второго порядка для этого метода и показали, как его использовать в инвертирующем и неинвертирующем усилительном каскаде.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

9 апреля

Повышение линейности и эффективности РЧ-усилителей

В статье изложены различные методы линеаризации РЧ-усилителей, приведены электрические схемы и диаграммы. Рассмотрено влияние на линейность усилителей температурных режимов и напряжения питания, даны практические рекомендации.



Как правило, лучшей линейности усилителей добиваются за счет увеличения мощности выходного каскада. Однако при этом эффективность усиления падает, следовательно, рассеивается больше тепла, что, в конечном счете, увеличивает энергопотребление системы и уменьшает время работы портативного устройства. Сокращение тепловыделения позволяет снизить стоимость и эксплуатационные затраты схемы.

Один из методов улучшения линейности — использование РЧ-усилителей с понижающей передачей, в которых выходной сигнал всегда меньше напряжения питания. Как и в предыдущем случае, при этом подходе эффективность усиления падает.

Для увеличения эффективности работы однотранзисторного выходного каскада нужно приблизить выходной сигнал к напряжению питания путем соответствующего выбора напряжения питания и импеданса нагрузки. При этом уменьшается мощность, рассеиваемая выходными транзисторами, поскольку разность между сигналом и напряжением питания мала, и портится линейность характеристики как на радио-, так и на звуковых частотах. Кроме того, появляется эффект ограничения сигнала, когда напряжение питания становится недостаточным для правильной передачи входного сигнала (см. рис. 1).

Рис. 1. Ограничение выходного сигнала

Важна ли линейность?

Линейность не является главной характеристикой для большинства РЧ-систем. Так, усилители класса С не всегда идеально передают форму входного синусоидального сигнала, поэтому они применяются в таких схемах, где это и не требуется. Например, для качественной работы радиоприемника FM-диапазона достаточно, чтобы сохранялись точки пересечения нуля, а не правильная форма пиков (см. рис. 2), поскольку вся информация содержится именно в этих точках.

Рис. 2. Нелинейность усилителя не влияет на частотно-модулированный сигнал

За последние 10 лет наблюдается переход к более сложным схемам модуляции, которые позволяют передавать больше информации по более узкой полосе частот. В качестве количественной характеристики степени уплотнения канала используется эффективность, которая выражается в Мбит/с на МГц.

Во многих стандартах связи информация содержится не только в точках пересечения нуля. Например, в схеме QAM (квадратурная амплитудная модуляция) информация содержится в амплитуде и фазе несущего сигнала. Рассмотрим классическое созвездие 64-QAM (см. рис. 3). Огибающая сигнала представляется с помощью 64 векторов. Каждый вектор может нести информацию о нескольких битах, если эффективность использования полосы пропускания достаточно высока. В таких схемах требуется очень хорошая линейность характеристик, иначе векторы накладываются друг на друга, при этом содержащиеся в них данные теряются безвозвратно. Некоторые виды нелинейных искажений, которые возникают в схеме, например, логарифмические искажения при насыщении транзистора, можно учесть в процессе демодуляции, но это довольно сложно и практически не используется.

Рис. 3. Созвездие 64-QAM. Шифрование 6 битов в один символ

Таким образом, единственный способ обеспечить точность векторов — это повысить точность самого усилителя мощности (УМ).

Выходные каскады усилителей класса А также вносят нелинейности, поэтому положительные и отрицательные полуволны выходного сигнала становятся несимметричными. На низких частотах эта проблема разрешается путем введения обратной связи (ОС). Транзисторные усилители постепенно переросли в операционные с коэффициентом усиления более 120 дБ. Линейность ОУ повышается также за счет использования большого количества отрицательных ОС. При введении ОС в выходные каскады усилителей класса АВ линейность может возрастать до 0,00003% (LME49710 National Semiconductor). Заметим, однако, что это значение достигается на сравнительно низких частотах. У всех усилителей наблюдается завал коэффициента усиления с повышением частоты. Усилители с токовыми ОС характеризуются меньшими потерями на ВЧ, но и у них коэффициент усиления падает, начиная с определенной частоты.

Отметим, что введение ОС помогает не только улучшить линейность характеристик, но и повысить коэффициент передачи в прямом направлении. Поскольку коэффициент передачи в прямом направлении с ростом частоты уменьшается, то на ВЧ требуется менее глубокая ОС. Это приводит к тому, что в РЧ-усилителях, особенно УМ, нельзя использовать традиционную ОС на рабочих частотах порядка 1 ГГц и выше.

Если схема усилителя разомкнута, то могут возникать проблемы, связанные с подавлением напряжения питания (power-supply rejection) и насыщением выходного сигнала (output saturation). Поскольку РЧ-усилители работают на граничных частотах транзисторов, то на их основе нельзя сделать ОУ с высоким коэффициентом усиления.

Таким образом мы видим, что при проектировании РЧ-усилителей сохраняются все те проблемы, с которыми сталкивались несколько десятилетий назад инженеры-схемотехники, разрабатывая усилителей на лампах.

Повышение линейности характеристик — не единственная и не самая сложная задача, с которыми приходиться иметь дело при разработке усилителя. Например, электрические или термические условия работы могут вызвать эффекты запоминания, что в свою очередь повлечет за собой временные искажения или потерю данных. Явление электрического запоминания похоже на эффекты, которые часто можно было наблюдать в старых ламповых гитарных усилителях с дешевыми источниками питания. Громкий аккорд перегружал выходной каскад и сбрасывал напряжение питания.

Проседание напряжения питания изменяет смещение выходных транзисторов, вследствие чего возникает информационно-зависимые нелинейные искажения. Величина таких искажений зависит от предыдущего состояния сигнала.

Это же явление встречается в УМ, работающих в радиочастотном диапазоне. Последовательность данных может содержать такие символы, которые перегружают усилитель и, соответственно, выводят из строя работу ИП и схем смещения. Возникают временные искажения, которые передаются в модулированный сигнал.

Второй источник эффектов запоминания — тепловые условия работы. В горячем и холодном состоянии транзисторы имеют разные переходные характеристики, что приводит к искажениям сигнала, если температура транзистора меняется.

На рисунке 4 показаны искажения в силовых РЧ-каскадах. Эти искажения обусловлены видом переходной характеристики транзистора — это не прямая зависимость, а логарифмическая. Частично нелинейности могут возникать из-за насыщения транзистора при работе с сигналами, близкими к напряжению питания.

Рис. 4. Виды искажений в усилителях, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов (а); эффектом ограничения (б); эффектами электрического; (в) и термического; (г) запоминания

Способы повышения линейности

При разработке усилителя нельзя просто уменьшить размах выходного сигнала, т.к. при этом снизится эффективность усиления. Приходится использовать положительные и отрицательные ОС или вносить предыскажения, чтобы сохранить эффективность и одновременно уменьшить энергопотребление схемы. Применение ООС подходит для усилителей с высокой линейностью характеристик, узкой полосой частот и средней эффективностью. Положительные ОС применяются в схемах с высокой линейностью, более широкой полосой частот и низкой эффективностью. Наконец, предыскажения применяются, когда требуются очень высокая эффективность, средняя линейность и небольшая полоса пропускания. Поскольку РЧ-усилители мощности работают на высоких частотах, использование традиционных ОС в них непрактично. В этом смысле под термином «обратная связь» часто подразумевается такая ОС, в которой выходной РЧ-сигнал делится на синфазную I и квадратурную Q составляющие и поступает на входные каскады. В такой системе можно получить еще более высокую линейность, однако необходимо следить, чтобы не возникало перегрузок в выходном каскаде. Эффективность усиления остается низкой. Кроме того, из-за риска появления генерации этот метод неприменим для широкополосных усилителей.

Чтобы получить и хорошие линейные характеристики, и широкую полосу, используют предыскажения. В этом случае для компенсации нелинейных искажений используются сигналы I и Q. В цифровых системах линейность обеспечивается с помощью сложных алгоритмов предсказания термических и электрических эффектов запоминания, однако цифровые методы имеют ограниченные возможности коррекции.

Как правило, степень линейности того или иного компонента системы известна заранее. Например, активный повышающий преобразователь с изоляцией заведомо имеет более широкий динамический диапазон, чем аналогичный пассивный преобразователь, за которым стоит усилитель. Предыскажения позволяют упросить схему. Кроме того, иногда используется сочетание обоих методов, когда в схеме используются и обратные связи, и цифровые предыскажения (см. рис 5).

Рис. 5. Смешанная схема коррекции

Часто вместо цифровых методов коррекции лучше применять схемотехнические. Чем выше линейность компонента, тем меньше требуется цифровой коррекции.

Рассмотрим усилитель Догерти, изобретенный в 1936 г. (см. рис. 6). Он имеет два РЧ-входа, а размах выходного сигнала близок к напряжению питания. Дополнительный усилитель нужен для того, чтобы регулировать видимый извне выходной импеданс основного усилителя. Если выходной сигнал дополнительного усилителя повторяет сигнал основного, то выходной импеданс с точки зрения передающего усилителя бесконечен (см. рис. 7). Поскольку оба конца линии имеют один и тот же потенциал, между ними не идет ток и мощность не потребляется. Если дополнительный усилитель отключить, то выходной импеданс с точки зрения основного усилителя станет равным характеристическому импедансу линии передачи. Далее, если второй усилитель будет работать в противофазе, тогда видимый извне выходной импеданс по отношению к передающему усилителю равен половине характеристического, поэтому мощность повышается. Сигнал основного усилителя всегда имеет размах, близкий к напряжению питания. Если в схеме необходима передача маломощных сигналов, то второй усилитель используется для увеличения выходного импеданса, который видит основной усилитель. В результате для данного перепада напряжения, близкого к линии питания, ток и, следовательно, мощность уменьшаются.

Рис. 6. Усилитель Догерти

Рис. 7. Принцип изменения выходной мощности, использующийся в усилителе Догерти

Описанный усилитель Догерти очень удобен для применения в базовых станциях. В абонентском оборудовании из-за ограничений по габаритам и стоимости схемы для подключения и отключения усилительных блоков рекомендуется применять РЧ-переключатели, такие как усилительный модуль CoolPAM Avago. Он имеет хорошую эффективность на широком диапазоне выходной мощности (см. рис. 8) . Также можно применять преобразователи постоянного напряжения. С ними выходной РЧ-каскад всегда работает на границе области насыщения, поэтому эффективность максимальна. Однако они занимают много места и сами по себе имеют предел по эффективности.

Рис. 8. Переключатели Avago. (а) – режим высокой мощности (больше 16 дБм); (б) – маломощный режим (меньше 16 дБм)

Моделирование

Поиски компромисса между эффективностью и линейностью в РЧ-усилителях затрагивает, кроме всего прочего, использование инструментов САПР. Поскольку РЧ-системы сами по себе нелинейны, то в них приходится решать все те же математические проблемы, что и в других нелинейных устройствах. Использование Spice и других инструментов моделирования может оказаться затратным по времени и не привести к ожидаемым результатам, поскольку в большинстве РЧ-схем требуется работа в установившемся режиме. Вторая проблема заключается в том, что часто внутренняя схема усилителя закрыта и приходится пользоваться S-параметрами для анализа. К сожалению, такой уровень абстракции не объясняет нелинейные искажения и не позволяет промоделировать смещение усилителя. Для решения этой проблемы Agilent, которая популяризировала проектирования с использованием S-параметров, недавно представила X-параметры, или моделирование искажений полигармоник. Эти параметры комбинируют выходной сигнал линейной системы с выходным сигналом, обусловленным нелинейными составляющими. Компания выпустила несколько брошюр с описанием данного метода и включила этот инструмент в свой пакет средств разработки.

Заключение

Проектирование РЧ-усилителей с каждым годом становится труднее из-за ужесточения требований к схемам модуляции. Высокая линейность и эффективность только еще больше подчеркивают важность тщательного анализа при проектировании. Сам процесс проектирования становится междисциплинарным, затрагивая радиочастотную, цифровую и аналоговую электронику. В помощь разработчикам были созданы САПР, различные инструменты и испытательные установки, облегчающие проектирование. Возможно с развитием этой области процесс разработки усилительных устройств станет проще, быстрее и дешевле.

Литература

  1. Vani Viswanathan. Efficiency Enhancement of Base Station Power Amplifiers Using Doherty Technique//scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-05062004-152027/unrestricted/Viswanathan_Thesis.pdf.
  2. Jan Verspech и David Root. Polyharmonic Distortion Modeling//www.janverspecht.com/pdf/phd_ieeemicrowavemagazine.pdf.
  3. Paul Rako. Heads and tails: Design RF amplifiers for linearity and efficiency//www.edn.com/article/CA6544734.html


Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Пол Рако (Paul Rako), техн. редактор, EDN



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты