DE10135993A1

DE10135993A1 - Verfahren zur Reduzierung der Verlustleistung bei linearen Verstärkern und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE10135993A1
Application number: DE10135993A
Authority: DE
Inventors: Juergen Rupp
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2003-05-08
Also published as: WO2003013095A3; TW589780B; WO2003013095A2

Abstract

Speziell in der PLC-Technologie werden Verstärker benötigt, die im gesamten Aussteuerbereich von sogenannten OFDM-Signalen einen hinreichenden Wirkungsgrad haben. Gemäß der Erfindung wird der erforderliche Dynamikbereich in mindestens zwei Teilbereiche aufgeteilt, zwischen denen im Grenzbereich weich umgeschaltet wird. Dafür sind bei der Vorrichtung alternativ beispielsweise zwei sich ablösende Endstufen (10, 20) oder eine Endstufe, die sich ablösend an zwei Versorgungsspannungen angeschaltet werden, vorhanden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung der Verlustleistung bei linearen Verstärkern, bei denen ein vorgegebener Dynamikbereich vorhanden ist. Daneben bezieht sich die Erfindung auf die zugehörige Vorrichtung zur Verstärkung von überlagerten Sinussignalen, mit wenigstens einer Endstufe.
Insbesondere bei der Verstärkung sogenannter OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)-Signale, z. B. in der PLC (Power Line Carrier)-Technologie), tritt das Problem der Verstärkung von überlagerten Sinussignalen auf. Solche Signale haben einen hohen Crest-Faktor, der das Verhältnis aus Spitzenwert und Effektivwert kennzeichnet.

Beim Stand der Technik werden lineare Verstärker oder getaktete Verstärker angewendet. Speziell getaktete Verstärker arbeiten theoretisch verlustlos. Tatsächlich bieten sie bei niedrigen Frequenzen eine deutliche Verringerung der Verluste gegenüber linearen Verstärkern. Bei hohen Frequenzen steigen allerdings die Schaltverluste stark an, so dass sich ab einer gewissen Frequenz kein Vorteil bei den Gesamtverlusten mehr ergibt. Lineare Verstärker regeln dagegen die Ausgangsspannung derart, dass die Differenz zwischen Versorgungsspannung und Ausgangsspannung am Ventil, d. h. in der Praxis am Ausgangstransistor, abfällt. Dadurch entsteht eine Verlustleistung, die bei gegebenem Ausgangsstrom mit kleiner Ausgangsspannung ansteigt. Vor allem bei kleiner Aussteuerung wird der Wirkungsgrad drastisch reduziert. Letzteres wirkt sich nachteilig aus, wenn das zu verstärkende Signal einen hohen Crestfaktor hat, da die Versorgungsspannung des Verstärkers auf den Spitzenwert ausgelegt sein muss, im Mittel aber eine viel kleinere Ausgangsspannung benötigt wird, so dass ein hoher Spannungsabfall am Ausgangsventil auftritt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Reduzierung der Verlustleistung anzugeben und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist alternativ im Patentanspruch 5 oder im Patentanspruch 6 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Mit der Erfindung wird die Verlustleistung dadurch minimiert, dass nicht über den gesamten Aussteuerbereich mit der gleichen Endstufe verstärkt wird, sondern in wenigstens zwei Teilbereichen, zwischen denen weich umgeschaltet wird. Dies kann alternativ mit separaten, sich ablösenden Endstufen, aber auch mit einer Endstufe, die ablösend an unterschiedliche Versorgungsspannungen angeschaltet ist, ausgeführt werden. Im Ergebnis kann somit der Spannungsabfall über den Endstufenventilen reduziert werden. Es ergibt sich damit auch eine Verminderung der Verlustleistung.

Bei der Erfindung wird in vorteilhafter Weise der jeweils erforderliche Dynamikbereich aufgeteilt, wobei im Grenzbereich zwischen beiden Teilbereichen weich umgeschaltet werden kann. Übernahmeverzerrungen werden dadurch klein gehalten. Insgesamt wird damit der Wirkungsgrad bei Ausführung mit zwei Endstufen in etwa verdoppelt.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Fig. 1 die Endstufe eines idealen Linearverstärkers,
Fig. 2 die Leistung und den Wirkungsgrad idealer linearer Verstärker,
Fig. 3 die Endstufe eines ablösenden Verstärkers mit mehreren Versorgungsspannungen,
Fig. 4 die Endstufe eines ablösenden Verstärkers mit Übertrager und Gegentaktbetrieb sowie
Fig. 5 die Endstufe eines ablösenden Verstärkers mit Nachregelung der Versorgungsspannung.
In der Fig. 1 ist eine Endstufe eines ansonsten nicht im Einzelnen dargestellten linearen Verstärkers 1 mit 10 bezeichnet. Die Endstufe besteht im Wesentlichen aus zwei gekoppelten Transistoren 11 und 12, an deren Verbindung mit Spannung Ua eine Lastimpedanz 13 angeschaltet ist. Eine derartige Endstufe liefert Spannungen zwischen +Us und -Us.
Mit solchen Verstärkern sollen beispielsweise sogenannte OFDM-Signale mit einem Crestfaktor von maximal 4 verstärkt werden. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) ist ein für PLC besonders geeignetes Modulationsverfahren. Dabei liegen die OFDM-Signale beispielsweise im Übertragungsband von 40 bis 150 kHz, weshalb getaktete Verstärker als weniger geeignet gelten.
In Fig. 2 ist die Leistung P und der Wirkungsgrad η von linearen Verstärkern als Funktion der Amplitude A dargestellt. Die Kennlinie 26 gibt die Eingangsleistung P_in und die Kennlinie 27 die Ausgangsleistung P_out wieder, die jeweils stetige Funktion darstellen. Der Wirkungsgrad η ist durch die Kennlinie 28 wiedergegeben, wobei sich ein linearer Anstieg ergibt. Der Wirkungsgrad bewegt sich gemäß Kennlinie 28 beispielsweise bei einer Aussteuerung von 80% in der Größenordnung von 60%. Berücksichtigt man die Verluste, wie Ansteuerung, ohmsche Verluste in Übertragern od. dgl., ergeben sich bei sinusförmigen Signalen Wirkungsgrade von maximal etwa 50%. Bei OFDM-Signalen mit einem Crestfaktor von maximal 4 und damit einer mittleren Aussteuerung von etwa 30% ergeben sich beim linearen Verstärker Wirkungsgradwerte im Bereich von nur 20 bis 30%. Dies kann nunmehr mit einer Anordnung gemäß Fig. 3 wesentlich verbessert werden.
In Fig. 3 ist ein ablösender Verstärker dargestellt, der im Wesentlichen aus einer Endstufe 10 gemäß Fig. 1 und einer weiteren Endstufe 30 besteht, die auf eine Last zusammengeschaltet sind.
Ursache für den schlechten Wirkungsgrad linearer Verstärkung bei OFDM-Signalen ist die im Mittel sehr niedrige Aussteuerung. Dadurch wird viel Verlustleistung produziert, weil die Versorgungsspannung auf den Peak-Wert des Signals ausgelegt sein muss und die Differenz zum Ausgangssignal am Transistor als Spannungsabfall vernichtet wird. Wenn dagegen entsprechend Fig. 3 zwei Endstufen 10 und 30 vorhanden sind, können unterschiedliche Versorgungsspannungen vorgesehen sein und können deshalb die Endstufen in verschiedenem Amplitudenbereich mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten.
Dies bedeutet für Fig. 3, dass die Stufe 1 bis UB1 im Eingriff ist und in diesem Bereich die Stufe 2 gesperrt ist. Die Verlustleistung wird dabei durch UB1 - UA bestimmt. Muss dagegen die Ausgangsspannung größer als UB1 werden, beispielsweise bis UB2 gehen, geht Stufe 1 in die Sättigung und die Stufe 2 wird aktiviert.
Mit einer Schaltung gemäß Fig. 3 kann der Wirkungsgrad bei OFDM-Signalen von ca. 25 auf ca. 50% erhöht werden. Mit einer weiteren Unterteilung des Aussteuerbereiches durch weitere Endstufen kann der Wirkungsgrad gegebenenfalls weiter verbessert werden, wobei in diese Fall naturgemäß ein höherer Aufwand betrieben werden muss.
Simulationsrechnungen und experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass mit einem linearen Verstärker mit zweifacher Endstufe gemäß Fig. 3 speziell für OFDM-Signale eine problemangepasste Verstärkung erreicht wird.
Fig. 4 stellt eine Endstufenvariante mit Ausgangsübertrager dar, die im Gegentaktbetrieb arbeitet. Es sind wiederum zwei Stufen 10 und 20 mit Transistoren 11, 12 und 21 und 22 vorhanden, von denen die Transistoren 11 und 12 sowie 21 und 22 jeweils in Gegentaktschaltung angeordnet sind. Über Wicklungen 41, 42, 43 und 44 sind die Transistoren 11, 12 bzw. 21, 22 an eine Versorgungsspannung +Ub angeschaltet, wobei in Fig. 4 die Sekundärwicklung nicht dargestellt ist.
Durch den Gegentaktbetrieb mit unterschiedlichen Anzapfungen ist der ablösende Betrieb mit nur einer Versorgungsspannung möglich. Der Übertrager hat außerdem den Vorteil, dass unterschiedliche Übersetzungsverhältnisse und unterschiedliche Ablösegrenzen allein durch Modifikation des Übertragers gewählt werden können, ohne den Verstärker an sich zu ändern. Ein Verhältnis von n₂ : n₁ = 1 : 1 hat in der Simulation bei einem OFDM-Signal gute Werte für den Wirkungsgrad ergeben. Diese Variante wurde als erfolgversprechend eingestuft und in detaillierten Simulationen weiter untersucht.
Durch Nachregelung der Versorgungsspannung ist eine Variante zu Fig. 4 für einen Verstärker mit verbessertem Wirkungsgrad möglich.
In Fig. 5 ist eine Gegentaktendstufe mit Übertrager entsprechend Fig. 4 gezeigt. Die Versorgungsspannung am Übertrager kann wahlweise aus Ub₁ oder über einen Transistor 53 aus der höheren Spannung Ub₂ abgeleitet werden. Dafür ist Ub1 über eine Diode 51 und die Wicklung U₁/U₂ angeschaltet, während der Transistor 53 von einer Regelschaltung 52, die von den Transistoren 11 und 21 die Istsignale erhält, angesteuert wird.
Bei diesem Verfahren der Bereitstellung einer geeigneten Versorgungsspannung wird die Spannung Ub1 so lange verwendet, bis die Endstufentransistoren 11 und 21 (T1/T2) in die Sättigung gehen und die Kollektor-Emitter-Spannung einen vorgegebenen Wert unterschreitet. Dann wird über den Transistor 53 (T3) die Versorgungsspannung mittels Regelschaltung 52 so nachgeregelt, dass die Kollektor-Emitter-Spannung diesen Grenzwert nicht unterschreitet.
Mit Fig. 5 wird also ebenfalls erreicht, dass der Bereich kleiner Amplituden mit Ub1 abgedeckt wird. Geringe Verluste treten durch die hohe Aussteuerung auf. Für den Bereich großer Amplituden kommt die höhere Spannung Ub2 zum Einsatz.

Claims

1. Verfahren zur Reduzierung der Verlustleistung bei linearen Verstärkern, bei denen ein vorgegebener Dynamikbereich vorhanden ist, mit folgenden Maßnahmen:
der erforderliche Dynamikbereich wird in mindestens zwei Teilbereiche aufgeteilt, zwischen denen im Grenzbereich weich umgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Teilbereiche überlappen, wodurch Übernahmeverzerrungen kleingehalten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wirkungsgrad von ca. 50% vorliegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet in der Anwendung bei sogenannten OFDM-Signalen in der PLC-Technologie.

5. Vorrichtung zur Verstärkung von überlagerten Sinussignalen, mit wenigstens einer Endstufe, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich ablösende Endstufen (10, 20) vorhanden sind.

6. Vorrichtung zur Verstärkung von überlagerten Sinussignalen, mit wenigstens einer Endstufe, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endstufe (10) ablösend an zwei Versorgungsspannungen angeschaltet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Endstufenventile vorhanden sind, über denen der Spannungsabfall reduziert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Anwendung auf Signale mit hohem Crest-Faktor.