RU125001U1

RU125001U1 - AMPLIFIER

Info

Publication number: RU125001U1
Application number: RU2012130683/08U
Authority: RU
Inventors: Евгений Яковлевич Быков; Борис Нихемович Житомирский; Леонард Бецалелович Калинин; Денис Андреевич Луппиан
Original assignee: Открытое акционерное общество "Мощная аппаратура радиовещания и телевидения"
Priority date: 2012-07-17
Filing date: 2012-07-17
Publication date: 2013-02-20

Abstract

Усилитель мощности, содержащий два двухтактных усилителя и делитель мощности, вход которого является входом усилителя мощности, а первый выход соединен со входом первого двухтактного усилителя, настроенного на работу в линейном режиме АВ, а также сумматор мощности, выход которого является выходом усилителя мощности, отличающийся тем, что введены две четвертьволновые линии, разница фаз сигнала на первом и втором выходах делителя мощности составляет девяносто градусов, второй выход делителя мощности соединен со входом второго двухтактного усилителя, настроенного на работу в нелинейном режиме С, а сумматор мощности выполнен по схеме Догерти и состоит из двух соединенных последовательно четвертьволновых трансформаторов, при этом первая четвертьволновая линия включена между выходом первого двухтактного усилителя и входом первого четвертьволнового трансформатора сумматора мощности, а вторая - между выходом второго двухтактного усилителя и точкой соединения трансформаторов сумматора мощности.A power amplifier containing two push-pull amplifiers and a power divider, the input of which is the input of the power amplifier, and the first output is connected to the input of the first push-pull amplifier configured to operate in linear mode AB, as well as a power adder, the output of which is the output of the power amplifier, characterized in that two quarter-wave lines are introduced, the phase difference of the signal at the first and second outputs of the power divider is ninety degrees, the second output of the power divider is connected to the input of the second push-pull amplifier, configured to operate in non-linear mode C, and the power adder is made according to the Doherty scheme and consists of two quarter-wave transformers connected in series, the first quarter-wave line connected between the output of the first push-pull amplifier and the input of the first quarter-wave power adder transformer, and the second between the output of the second push-pull amplifier and the connection point of the transformers of the power adder.

Description

Полезная модель относится к радиотехнике и может использоваться в радиопередающих устройствах УВЧ диапазона, в том числе телевизионных передатчиках.The utility model relates to radio engineering and can be used in UHF radio transmitting devices, including television transmitters.

Для уменьшения количества ступеней сложения, сумматоров и делителей ведущие фирмы-изготовители мощных транзисторов (Motorola, NXP) две транзисторные структуры выполняют в общем корпусе (например, BLF888, BLF878) для реализации компактной двухтактной схемы их включения на УВЧ [1, 2]. Симметрирование входов и выходов согласующих цепей таких транзисторов осуществляется трансформирующими четвертьволновыми участками коаксиальных линий с полосковыми компенсаторами [3].To reduce the number of addition steps, combiners and dividers, leading manufacturers of powerful transistors (Motorola, NXP) perform two transistor structures in a common package (for example, BLF888, BLF878) to implement a compact push-pull circuit for their inclusion in the UHF [1, 2]. The inputs and outputs of the matching circuits of such transistors are balanced by transforming quarter-wave sections of coaxial lines with strip compensators [3].

Широко известный квадратурный усилитель мощности [4] со сложением двух усилителей принят по совокупности признаков в качестве аналога полезной модели. Квадратурный усилитель радиосигналов, содержащий два усилителя, выполненные по двухтактной схеме [5], как наиболее близкий аналог, принят за прототип. Также стоит отметить, что такой усилитель мощности широко применяется на практике, в частности в цифровых телевизионных передатчиках.The well-known quadrature power amplifier [4] with the addition of two amplifiers adopted by the totality of features as an analogue of a utility model. A quadrature amplifier of radio signals containing two amplifiers, made according to the push-pull circuit [5], as the closest analogue, adopted as a prototype. It is also worth noting that such a power amplifier is widely used in practice, in particular in digital television transmitters.

В связи с требованиями стандарта [6] к качеству цифрового сигнала, а именно для обеспечения уровня средней погрешности модуляции (MER) не менее 35дБ, усилителю необходимо работать с мощностью в пике сигнала в 7÷8 раз больше средней. Из-за такого соотношения средней и пиковой мощности в усилителе-прототипе КПД не превышает 27÷30%, а в целом передатчик имеет КПД еще ниже ~20%. Низкий КПД является серьезным недостатком прототипа, требующим устранения.In connection with the requirements of the standard [6] for the quality of a digital signal, namely, to ensure the level of the average modulation error (MER) of at least 35 dB, the amplifier needs to operate with a peak power of 7–8 times the average. Due to this ratio of average and peak power in the prototype amplifier, the efficiency does not exceed 27 ÷ 30%, and in general the transmitter has an efficiency even lower than ~ 20%. Low efficiency is a serious disadvantage of the prototype that needs to be addressed.

В 1930 г. сотрудником фирмы «Белл» Вильямом Догерти (William Doherty) была предложена схема динамического изменения нагрузки двух складываемых усилителей с тем, чтобы сигнал до среднего уровня с высоким КПД усиливал только один усилитель («основной»), а пики сигнала усиливались обоими усилителями («основным» и «пиковым») с обычным низким КПД [7]. В целом, КПД усилителей повышался с 27÷30% до 40÷45%. Этот принцип был реализован в мощных вещательных передатчиках длинных и средних волн [8]. В последнее время найдены решения суммирования по Догерти для усилителя УВЧ диапазона [9]. Фирмы выпускают и автономные узлы под названием «Сумматор Догерти» [10]. Однако во всех известных авторам устройствах суммируются однотактные усилители, не содержащие трансформирующих участков линий. Поэтому, например, патентуемыми фирмой «Anoren» сумматорами нельзя складывать широко применяемые двухтактные схемы. Необходимо было найти решение, устраняющее этот недостаток и позволяющее применить принцип повышения КПД Догерти к прототипу.In 1930, William Doherty, a Bell employee, proposed a circuit for dynamically changing the load of two stackable amplifiers so that only one amplifier (“main”) amplifies the signal to a medium level with high efficiency, and both signal peaks are amplified by both amplifiers (“main” and “peak”) with the usual low efficiency [7]. In general, the efficiency of amplifiers increased from 27–30% to 40–45%. This principle was implemented in powerful broadcast transmitters of long and medium waves [8]. Recently, Doherty summation solutions have been found for the UHF amplifier [9]. Firms also produce autonomous nodes under the name “Adder Doherty” [10]. However, in all devices known to the authors, single-ended amplifiers are added that do not contain transforming sections of lines. Therefore, for example, the adders patented by Anoren cannot add commonly used push-pull circuits. It was necessary to find a solution that eliminates this drawback and allows you to apply the principle of increasing the efficiency of Doherty to the prototype.

Задачей, на решение которой была направлена разработка данной полезной модели, является повышение коэффициента полезного действия усилителя мощности со сложением двух усилителей, построенных по двухтактной схеме, за счет использования метода динамической регулировки нагрузки (метода Догерти).The task to which the development of this utility model was directed is to increase the efficiency of a power amplifier with the addition of two amplifiers built in a push-pull circuit by using the dynamic load adjustment method (Doherty method).

Сущность метода Догерти широко известна и не нуждается в дополнительном подробном описании, однако напомним, что динамическая регулировка нагрузки по Догерти основана на использовании трансформирующих элементов, а именно: усилитель Догерти использует два усилителя мощности - первый усилитель возбуждается как линейный усилитель класса В (АВ), а второй усилитель, нелинейный, класса С, своим выходным сигналом модулирует импеданс, на который нагружен первый усилитель мощности через инвертирующую импеданс четвертьволновую линию.The essence of the Doherty method is widely known and does not need additional detailed description, however, we recall that the dynamic adjustment of the load according to Doherty is based on the use of transforming elements, namely: the Doherty amplifier uses two power amplifiers - the first amplifier is excited as a Class B (AB) linear amplifier, and the second amplifier, non-linear, class C, by its output signal modulates the impedance to which the first power amplifier is loaded through a quarter-wave line inverting the impedance.

Ввиду того, что в усилителе мощности, построенном по двухтактной схеме, на выходе включены четвертьволновые линии, исполняющие роль симметрирующих устройств [3], использовать метод Догерти в классическом виде не представляется возможным, т.к. указанные выше четвертьволновые симметрирующие устройства окажут трансформирующее воздействие на нагрузку, которую ощущают усилители, и эффект динамической регулировки будет потерян.Due to the fact that in the power amplifier constructed according to the push-pull circuit, the output includes quarter-wave lines acting as balancing devices [3], it is not possible to use the Doherty method in the classical form, since the aforementioned quarter-wave balancing devices will have a transforming effect on the load that the amplifiers feel, and the effect of dynamic adjustment will be lost.

В связи с этим авторами предложено между выходами симметрирующих устройств двухтактных усилителей и соответствующими входами сумматора Догерти включить дополнительные четвертьволновые линии с волновым сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки усилителя. Вновь введенные четвертьволновые участки линии совместно с четвертьволновыми симметрирующими устройствами образуют нетрансформирующие динамическое изменение нагрузки полуволновые линии. Отметим, что длина указанных участков равна четверти длины волны на средней частоте рабочего канала лишь приближенно. На практике она уточняется из условия трансформации участком линии совместно с симметрирующим устройством выходного сопротивления закрытого транзистора пикового усилителя в максимальную величину в точке сложения.In this regard, the authors proposed to include additional quarter-wave lines with a wave resistance equal to the load resistance of the amplifier between the outputs of the balancing devices of push-pull amplifiers and the corresponding inputs of the Doherty adder. The newly introduced quarter-wave sections of the line, together with the quarter-wave baluns, form non-transforming dynamic load changes half-wave lines. Note that the length of these sections is equal to a quarter of the wavelength at the average frequency of the working channel only approximately. In practice, it is specified from the condition of transformation by a section of the line together with a balancing device of the output resistance of the closed transistor of the peak amplifier to the maximum value at the point of addition.

В итоге полезная модель отличается от усилителя-прототипа тем, что вместо выходного 3дБ моста-сумматора установлены четвертьволновые участки линий и сумматор Догерти, а также настройкой режимов работы усилителей. В квадратурном усилителе мощности со сложением двух двухтактных усилителей, принятым за прототип, оба усилителя работают одинаково, в режиме В (АВ) [3]. В виду того, что при переходе от квадратурной схемы сложения к сложению по Догерти роль «пикового» усилителя изменилась (в соответствии с общей идеей, он должен отпираться только при подаче на его вход сигналов с уровнем мощности, большим четверти пикового), он настроен на работу в режиме С, «основной» же усилитель работает в режиме АВ, т.к. его функция осталась прежней.As a result, the utility model differs from the prototype amplifier in that instead of the output 3DB of the adder bridge, quarter-wave sections of lines and a Doherty adder are installed, as well as setting up the operation modes of the amplifiers. In a quadrature power amplifier with the addition of two push-pull amplifiers adopted as a prototype, both amplifiers operate identically, in the B (AB) mode [3]. Since the role of the “peak” amplifier changed during the transition from the quadrature addition to Dougherty addition (in accordance with the general idea, it should be unlocked only when signals with a power level greater than a quarter of the peak are fed to its input), it is set to work in C mode, the “main” amplifier works in AB mode, because its function has remained the same.

Технический результат заключается в том, что благодаря введению указанных линий и сумматора Догерти, а также настройке усилителей, КПД предлагаемого устройства значительно возрастает. Например, авторами достигнуто увеличение КПД с 27% до 40% по сравнению с обычным усилителем без динамической регулировки нагрузки.The technical result consists in the fact that due to the introduction of the indicated lines and the Doherty adder, as well as the tuning of the amplifiers, the efficiency of the proposed device increases significantly. For example, the authors achieved an increase in efficiency from 27% to 40% compared to a conventional amplifier without dynamic load control.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого усилителя мощности, на фиг.2 - структурная схема двухтактного усилителя мощности, входящего в состав усилителя.Figure 1 presents the structural diagram of the proposed power amplifier, figure 2 is a structural diagram of a push-pull power amplifier, which is part of the amplifier.

Предлагаемый усилитель (фиг.1) содержит основной двухтактный усилитель 1, пиковый двухтактный усилитель 2, делитель 3 с дополнительным девяностоградусным сдвигом фазы в одном плече, сумматор Догерти 4, включающий четвертьволновый трансформатор 7 и четвертьволновый трансформатор 8, а также четвертьволновые линии 5, 6. На выход усилителя подключена нагрузка 9.The proposed amplifier (Fig. 1) contains a main push-pull amplifier 1, a peak push-pull amplifier 2, a divider 3 with an additional ninety-degree phase shift in one arm, a Doherty combiner 4, including a quarter-wave transformer 7 and a quarter-wave transformer 8, as well as quarter-wave lines 5, 6. The output of the amplifier is connected to a load of 9.

Оба двухтактных усилителя выполнены по одинаковой схеме (фиг.2). На входе установлено симметрирующее устройство 10, представляющее собой четвертьволновый отрезок коаксиальной линии с полосковым компенсатором, оно соединено с входной согласующей цепью 1. Цепь, в свою очередь, подключена к транзистору 12, содержащему две транзисторные структуры для обеспечения двухтактной схемы работы. К выходу транзистора подключена выходная согласующая цепь 13, к выходу которой подсоединено выходное согласующее устройство 14, аналогичное входному, но подключенное зеркально относительно него. Усилители отличаются друг от друга режимом работы - в то время как «основной» настроен на работу в линейном режиме АВ, «пиковый» работает в нелинейном режиме С. Режим работы транзистора задается напряжением смещения. Его источник, а также источник напряжения питания, не представлены на чертеже, так как являются общеизвестными элементами и вид их исполнения не принципиален.Both push-pull amplifiers are made in the same way (figure 2). At the input, a balancing device 10 is installed, which is a quarter-wave segment of a coaxial line with a strip compensator, it is connected to the input matching circuit 1. The circuit, in turn, is connected to a transistor 12 containing two transistor structures to provide a push-pull circuit. An output matching circuit 13 is connected to the output of the transistor, to the output of which an output matching device 14 is connected, similar to the input, but mirrored relative to it. Amplifiers differ from each other in the operating mode - while the “main” one is configured to operate in the linear AB mode, the “peak” one operates in non-linear mode C. The operation mode of the transistor is set by the bias voltage. Its source, as well as the power supply source, are not shown in the drawing, since they are well-known elements and the type of their execution is not fundamental.

Для распределения входной мощности между двухтактными усилителями используется делитель мощности. Принципиальным является условие, что входной сигнал на двухтактный усилитель 3, играющий роль «пикового», приходит с задержкой по фазе на девяносто градусов относительно «основного». Такая задержка может быть реализована либо самим делителем (например, мостовым), либо введением фазосдвигающей линии при использовании синфазного делителя мощности. При этом вход делителя является входом предлагаемого усилителя мощности, а его выходы подключены к входным симметрирующим устройствам двухтактных усилителей в соответствии с вышеобозначенным условием.A power divider is used to distribute input power between push-pull amplifiers. The principal condition is that the input signal to the push-pull amplifier 3, playing the role of “peak”, comes with a phase delay of ninety degrees relative to the “main” one. Such a delay can be realized either by the divider itself (for example, a bridge), or by introducing a phase-shifting line using a common-mode power divider. Moreover, the input of the divider is the input of the proposed power amplifier, and its outputs are connected to the input balancing devices of push-pull amplifiers in accordance with the above condition.

К выходным симметрирующим устройствам, которые являются выходами двухтактных усилителей, подключено по одной линии, нейтрализующей их трансформирующее действие. Линии могут быть выполнены как в виде отрезков коаксиальных кабелей, так и в виде полосковых линий. Их длина выбирается из условия трансформации участком линии совместно с симметрирующим устройством выходного сопротивления закрытого транзистора пикового усилителя в максимальную величину в точке сложения.The output balancing devices, which are the outputs of push-pull amplifiers, are connected along one line that neutralizes their transforming effect. The lines can be made in the form of segments of coaxial cables, or in the form of strip lines. Their length is selected from the condition of transformation by a section of the line together with a balancing device of the output resistance of the closed transistor of the peak amplifier to the maximum value at the point of addition.

Последним звеном усилителя является широко известный сумматор Догерти, состоящий из двух четвертьволновых трансформаторов. Трансформатор 7 играет главную роль в схеме, так как именно через него изменяющееся при отпирании и запирании пикового транзистора сопротивление на входе трансформатора 8 передается к выходу основного усилителя, осуществляя тем самым динамическую регулировку нагрузки. Его волновое сопротивление выбирается равным сопротивлению нагрузки усилителя. Трансформатор 8 используется для согласования сопротивлений нагрузки 9 с одной стороны и двух линий от двухтактных усилителей с другой, при работе усилителя в целом в режиме пиковой мощности. Его волновое сопротивление выбирается исходя из выполняемой функции. Выход сумматора является выходом усилителя, а входы подключены к вышеуказанным линиям, причем так, чтобы четвертьволновый трансформатор из сумматора Догерти компенсировал фазовый сдвиг, вносимый на входе усилителя делителем мощности или фазосдвигающим элементом.The last link of the amplifier is the widely known Doherty combiner, consisting of two quarter-wave transformers. Transformer 7 plays a major role in the circuit, since it is through it that the resistance at the input of transformer 8, which changes when the peak transistor is unlocked and locked, is transmitted to the output of the main amplifier, thereby dynamically adjusting the load. Its wave impedance is chosen equal to the load resistance of the amplifier. Transformer 8 is used to coordinate the load resistances 9 on the one hand and two lines from push-pull amplifiers on the other, when the amplifier as a whole operates in peak power mode. Its wave impedance is selected based on the function performed. The output of the adder is the output of the amplifier, and the inputs are connected to the above lines, so that the quarter-wave transformer from the Doherty adder compensates for the phase shift introduced at the amplifier input by a power divider or phase-shifting element.

Усилитель мощности работает следующим образом.The power amplifier operates as follows.

Пусть сопротивление нагрузки 50 Ом, тогда волновое сопротивление линии 8-35 Ом, линий 5, 6 и 7-50 Ом. Волновое сопротивление участка 14 определяется необходимым режимом, пусть к примеру оно равно 25 Омам. Входной высокочастотный амплитудно- или OFDM модулированный сигнал делится между основным и пиковым двухтактными усилителями. При малых амплитудах входного сигнала усиление происходит в основном двухтактном усилителе, а пиковый в это время заперт. Высокий выходной импеданс и отсутствие его сигнала в точке соединения линий 6, 7 и 8 не нарушают нагрузку 25 Ом, обеспечиваемую 50-омной нагрузкой 9 и трансформатором 8. Она трансформируется к цепи 13 основного усилителя 1 в 25 Ом. При превышении входным сигналом порогового значения, транзистор пикового усилителя отпирается, его сигнал на входе линии 8 синфазно складывается с сигналом основного усилителя и последний ощущает увеличение сопротивления нагрузки до 50 Ом при равенстве сигналов. Эквивалентное сопротивление, подводимое к выходу цепи 13 основного усилителя 1, становится равным 12,5 Ом, то есть в два раза меньше, чем при малом сигнале. Таким образом, транзистор основного усилителя всегда работает в оптимальном режиме с высоким КПД, а пиковый усилитель работает только с частью сигнала, соответствующей пиковой мощности, и соответственно, с низкой средней мощностью и потреблением. Эффект динамического изменения нагрузки (эффект Догерти) сохранен.Let the load resistance be 50 Ohms, then the wave impedance of the line is 8-35 Ohm, lines 5, 6 and 7-50 Ohm. The wave impedance of section 14 is determined by the necessary mode, for example, let it be 25 Ohms. The input high-frequency amplitude or OFDM modulated signal is divided between the main and peak push-pull amplifiers. At small amplitudes of the input signal, amplification occurs in the main push-pull amplifier, and the peak at this time is locked. The high output impedance and the absence of its signal at the junction point of lines 6, 7 and 8 do not violate the 25 Ohm load provided by the 50 Ohm load 9 and the transformer 8. It is transformed to circuit 13 of the main amplifier 1 into 25 Ohm. If the input signal exceeds the threshold value, the transistor of the peak amplifier is unlocked, its signal at the input of line 8 is in phase with the signal of the main amplifier and the latter senses an increase in load resistance to 50 Ohms when the signals are equal. The equivalent resistance applied to the output of circuit 13 of the main amplifier 1 becomes 12.5 Ohms, that is, two times less than with a small signal. Thus, the transistor of the main amplifier always operates in the optimal mode with high efficiency, and the peak amplifier only works with a part of the signal corresponding to the peak power, and, accordingly, with a low average power and consumption. The effect of dynamic load changes (Doherty effect) is saved.

Устройство реализовано в цифровом телевизионном передатчике Нева-Ц-1 со средней мощностью 1 кВт и мощностью в пике сигнала 7 кВт. В двух 600-ваттных блоках усиления мощности передатчика одновременно работают восемь заявленных устройств. КПД передатчика увеличено с 19% до 27%, КПД в каждом из восьми усилителей увеличилось с 27% до 40% при сохранении качественных показателей: MER равно 35дБ, как у прототипа. Важно также, что для увеличения КПД практически не пришлось изменять конструкцию блоков усилителей: восемь сумматоров двухтактных усилителей по настоящей заявке размещены вместо полосковых 3дБ мостов-сумматоров оконечных усилителей.The device is implemented in a Neva-Ts-1 digital television transmitter with an average power of 1 kW and a peak power of 7 kW. In two 600-watt transmitter power amplification units, eight declared devices operate simultaneously. The transmitter efficiency was increased from 19% to 27%, the efficiency in each of the eight amplifiers increased from 27% to 40% while maintaining quality indicators: MER is 35dB, as in the prototype. It is also important that in order to increase the efficiency, there was practically no need to change the design of the amplifier blocks: eight adders of push-pull amplifiers according to this application are placed instead of strip 3DB bridges-adders of terminal amplifiers.

Литература:Literature:

1. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f888.pdf1. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f888.pdf

2. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f878.pdf2. www.ru.nxp.com/documents/data_sheet/b1f878.pdf

3. «Проектирование радиопередающих устройств» под ред. дтн В.В.Шахгильдяна, Москва, «Связь», 1976 г., с.179-1813. "Design of radio transmitting devices", ed. dtn V.V. Shahgildyan, Moscow, “Communication”, 1976, p. 179-181

4. «Оценка возможности снижения некоторых видов нежелательных колебаний в широкополосных усилителях мощности ОВЧ диапазона», И.А.Бурков, Н.А.Трухин, «Радиотехника», 1984 г., №2.4. "Evaluation of the possibility of reducing some types of unwanted oscillations in broadband power amplifiers in the VHF range", I. A. Burkov, N. A. Trukhin, "Radio Engineering", 1984, No. 2.

5. Свидетельство на полезную модель №14705 «Квадратурный усилитель радиосигналов с угловой модуляцией», 2000 г.5. Certificate for utility model No. 14705 "Quadrature amplifier of radio signals with angular modulation", 2000

6. «Правила применения оборудования систем телевизионного вещания. Часть I. Правила применения передатчиков эфирного телевидения.» от 10.01.2006 г.6. “Rules for the use of television broadcasting equipment. Part I. Rules for the use of terrestrial television transmitters. ”Dated 10.01.2006

7. W. H. Doherty "A new high efficiency power amplifier for modulated waves" Sept. 19357. W. H. Doherty "A new high efficiency power amplifier for modulated waves" Sept. 1935

8. Патент №65144 «Мощный усилитель типа усилителя Догерти», 1940 г.8. Patent No. 65144 "Powerful amplifier type Doherty amplifier", 1940

9. NXP RF Power Product Presentation, 11/2011 г.9. NXP RF Power Product Presentation, 11/2011

10. www.anaren.com/products/doherty-combiners10. www.anaren.com/products/doherty-combiners

Claims

A power amplifier containing two push-pull amplifiers and a power divider, the input of which is the input of the power amplifier, and the first output is connected to the input of the first push-pull amplifier configured to operate in linear mode AB, as well as a power adder, the output of which is the output of the power amplifier, characterized in that two quarter-wave lines are introduced, the phase difference of the signal at the first and second outputs of the power divider is ninety degrees, the second output of the power divider is connected to the input of the second push-pull of the amplifier configured to operate in nonlinear mode C, and the power adder is made according to the Doherty scheme and consists of two quarter-wave transformers connected in series, the first quarter-wave line connected between the output of the first push-pull amplifier and the input of the first quarter-wave power adder transformer, and the second between the output of the second push-pull amplifier and the connection point of the transformers of the power adder.