RU2402149C1 - Key power amplifier - Google Patents

Key power amplifier Download PDF

Info

Publication number
RU2402149C1
RU2402149C1 RU2009109576/09A RU2009109576A RU2402149C1 RU 2402149 C1 RU2402149 C1 RU 2402149C1 RU 2009109576/09 A RU2009109576/09 A RU 2009109576/09A RU 2009109576 A RU2009109576 A RU 2009109576A RU 2402149 C1 RU2402149 C1 RU 2402149C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
amplifier
output
circuit
inductance
capacitor
Prior art date
Application number
RU2009109576/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Владимирович Баранов (RU)
Александр Владимирович Баранов
Original Assignee
Александр Владимирович Баранов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Владимирович Баранов filed Critical Александр Владимирович Баранов
Priority to RU2009109576/09A priority Critical patent/RU2402149C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2402149C1 publication Critical patent/RU2402149C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: key power amplifier (KPA) comprises active key element (AKE), serially connected the first inductance L1 and the second capacitor C2, which form a serial generating L1C2 - circuit, parallel connected the first capacitor C2, the second inductance L2 and active load R, forming parallel L2C1R - circuit, and source of supply voltage Vds with throttle (Th) and blocking capacitor Cbl for isolation of HF circuits by supply. Inlet of AKE is device inlet. AKE inlet is connected to the first inductance L1, the second output of which, at one side, via the second capacitor C2 is connected to output of KPA, and at the other side - via throttle Th is connected simultaneously to the first terminal of supply source Vds and to the first output of blocking capacitor Cbl. The second terminal of supply source Vds and the second output of blocking capacitor Cbl are connected both to common point of AKE, being simultaneously a common bus of KPA, and to common point of parallel L2C1R - circuit, other common point of which is output of KPA. Values of main elements satisfy the following ratios
Figure 00000071
Figure 00000072
Figure 00000073
Figure 00000074
Figure 00000075
where QL - quality of loaded circuit, ωs - angle frequency of input signal, Vds - voltage of supply source, P - level of output signal capacity. Using values of main elements calculated in compliance with given formulas in amplifier fully realises mode of its operation in amplifier in class "E", when it is possible to produce efficiency factor, which is theoretically equal to 100%. Such optimal mode of class "E" in amplifier may be provided at higher frequencies compared to available devices.
EFFECT: increased maximum frequency of operation with maximum possible efficiency.
8 dwg

Description

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в высокоэкономичных радиопередатчиках, работающих в диапазонах частот вплоть до СВЧ-диапазона.The proposed device relates to the field of radio engineering and can be used in highly economical radio transmitters operating in frequency ranges up to the microwave range.

Известен усилитель мощности, работающий в ключевом режиме, который назван классом «Е». (См. Sokal N.O., Sokal A.D. Class E - a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers // IEEE Jour, of Solid-State Circuits, Vol.SC-10, No. 3. June 1975, P. 168-176). Такой режим работы обеспечивает усилителю КПД, теоретически равный 100%. Усилитель (см. фиг.1) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его конденсатор, последовательный LC- контур, активную нагрузку и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ-цепей по питанию.Known power amplifier operating in key mode, which is called class "E". (See Sokal NO, Sokal AD Class E - a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers // IEEE Jour, of Solid-State Circuits, Vol.SC-10, No. 3. June 1975, P . 168-176). This mode of operation provides the amplifier with a theoretical efficiency of 100%. The amplifier (see Fig. 1) contains an active key element, a capacitor shunting it, a series LC circuit, an active load, and a power supply with a choke for decoupling the RF circuits from the power supply.

Недостатком данного усилителя класса «Е» является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота fmax вычисляется по формуле:

Figure 00000001
. The disadvantage of this class “E” amplifier is the low maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency. When this amplifier is operating in the optimum mode of efficiency, its maximum frequency f max is calculated by the formula:
Figure 00000001
.

Здесь и далее Vds - напряжение источника питания усилителя, Imax - максимальное значение тока ключа, Cds - линейная выходная емкость ключа.Hereinafter, V ds is the voltage of the power source of the amplifier, I max is the maximum value of the key current, C ds is the linear output capacity of the key.

Известен усилитель мощности, работающий в режиме класса «Е» с шунтирующей ключ индуктивностью. (См. Kazimierczuk М. Class Е tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No. 1. February 1981. P.2-7). Усилитель (см. фиг. 2) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую его индуктивность L, последовательный LrCf - контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.Known power amplifier operating in class "E" mode with a shunt key inductance. (See Kazimierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. Of Solid-State Circuits, Vol. SC-16, No. 1. February 1981. P.2-7). The amplifier (see Fig. 2) contains an active key element, shunting its inductance L, series L r C f - circuit, active load and power supply source.

Недостатком известного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота fmax вычисляется по формуле:

Figure 00000002
. A disadvantage of the known device is the low maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency. When this amplifier is operating in the optimum mode of efficiency, its maximum frequency f max is calculated by the formula:
Figure 00000002
.

Здесь и далее Ids - постоянная составляющая тока усилителя, Vmax - максимальное значение напряжения ключа.Hereinafter, I ds is the constant component of the amplifier current, V max is the maximum value of the key voltage.

Известен также усилитель мощности, работающий в классе «Е» с шунтирующим ключ LC-контуром. (См. Grebennikov A.V., Jaeger H. Class E with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1, P.1627-1630). Усилитель (см. фиг. 3) содержит активный ключевой элемент, шунтирующий его LC-контур, последовательный L0C0-контур, активную нагрузку и источник напряжения питания.Also known is a power amplifier operating in class "E" with a shunt key LC circuit. (See Grebennikov AV, Jaeger H. Class E with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1, P.1627 -1630). The amplifier (see Fig. 3) contains an active key element, shunting its LC circuit, a serial L 0 C 0 circuit, an active load and a power supply source.

Недостатком этого устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота fmax вычисляется по формуле:

Figure 00000003
. The disadvantage of this device is the low maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency. When this amplifier is operating in the optimum mode of efficiency, its maximum frequency f max is calculated by the formula:
Figure 00000003
.

Здесь выходная мощность Р=IdsVds (при КПД=100%), а Imax=2,647Ids.Here the output power is P = I ds V ds (with efficiency = 100%), and I max = 2,647I ds .

Кроме того, известен усилитель мощности класса «Е» с шунтирующей ключ емкостью. (См. Рис.2.19 б) в книге: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). Усилитель (см. фиг. 4) содержит активный ключевой элемент, шунтирующую ключ емкость С0, которая образует с индуктивностью L0 формирующий контур, блокировочный (разделительный) конденсатор Сбл, фильтрующий параллельный LКCК-контур, активную нагрузку RН и источник напряжения питания с дросселем для развязки ВЧ-цепей по питанию.In addition, a class “E” power amplifier with a shunt key capacitance is known. (See Fig. 2.19 b) in the book: Improving the Efficiency of Powerful Radio Transmitting Devices / A.D. Artym, A.E. Bakhmutsky, E.V. Kozin et al. Ed. A.D. Artyma. - M.: Radio and Communications, 1987. - 176 p.). The amplifier (see Fig. 4) contains an active key element, a capacitor C 0 shunting the key, which forms a forming circuit with inductance L 0 , a blocking (isolation) capacitor C bl filtering parallel L K C K circuit, active load R N and power supply with a choke for decoupling the RF circuits for power.

Недостатком данного устройства является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота fmax вычисляется по формуле:

Figure 00000004
, которая получена, используя выражение (1.55) и Таблицу 2.1 в указанной выше книге.The disadvantage of this device is the low maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency. When this amplifier is operating in the optimum mode of efficiency, its maximum frequency f max is calculated by the formula:
Figure 00000004
, which is obtained using the expression (1.55) and Table 2.1 in the above book.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является усилитель мощности (См. патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.). Данный усилитель также работает в классе «Е», а его схема является дуальной по отношению к классической схеме усилителя Sokal N.O. и Sokal A.D. Усилитель (см. фиг.5) содержит активный ключевой элемент, последовательную индуктивность L1 разделительный конденсатор Cбл, параллельный L2CR-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания Vds с дросселем Др для развязки ВЧ-цепей по питанию.Closest to the proposed technical solution is a power amplifier (See RF patent for the invention No. 2306667 with priority dated 12/22/2005, H03F 3/193. Key power amplifier / A. Baranov). This amplifier also works in class "E", and its circuit is dual to the classical amplifier circuit Sokal NO and Sokal AD. The amplifier (see Fig. 5) contains an active key element, a series inductance L 1 isolation capacitor C bl , parallel to L 2 CR-circuit with active load R and a power supply voltage V ds with a choke Dr for decoupling the RF circuits for power.

Недостатком устройства-прототипа является невысокая максимальная частота его работы при максимально возможном КПД. При работе этого усилителя в оптимальном по КПД режиме его максимальная частота fmax вычисляется по формуле:

Figure 00000005
. The disadvantage of the prototype device is the low maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency. When this amplifier is operating in the optimum mode of efficiency, its maximum frequency f max is calculated by the formula:
Figure 00000005
.

Технический эффект, на достижение которого направлено предлагаемое решение, заключается в повышении максимальной частоты его работы при максимально возможном КПД.The technical effect to which the proposed solution is aimed is to increase the maximum frequency of its operation at the highest possible efficiency.

Этот эффект достигается тем, что в ключевом усилителе мощности, содержащем активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является его общей точкой и общей шиной усилителя в целом, первую индуктивность L1, которая одним выводом подключена к выходу активного ключевого элемента, а другим через дроссель - к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с общей шиной усилителя, блокировочный конденсатор Cбл и параллельно соединенные вторая индуктивность L2, первый конденсатор С1, активная нагрузка R, которые образуют параллельный L2C1R-контур, один общий вывод которого является выходом усилителя, а второй - подключен к общей шине усилителя, величина индуктивности L2 определена формулой:

Figure 00000006
где QL - добротность нагруженного контура, ωS - угловая частота входного сигнала, согласно изобретению между выходом усилителя и общей точкой первой индуктивности L1 и дросселя введен второй конденсатор С2, который вместе с первой индуктивностью L1 образует последовательный формирующий L1C2-контур, блокировочный конденсатор Cбл подключен между общей шиной усилителя и первой клеммой источника питания, а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:This effect is achieved by the fact that in a key power amplifier containing an active key element, the first point of which is its output, the second is its input and simultaneously the input of the amplifier, and the third is its common point and the common bus of the amplifier as a whole, the first inductance L 1 , one terminal of which is connected to the output of the active core element and the other through a throttle - to the first power supply terminal, the second terminal of which is connected to the common bus amplifier, C plaque blocking capacitor and the parallel connection of the second I inductance L 2, the first capacitor C 1, resistive load R, which form a parallel L 2 C 1 R-circuit, a common output which is the output of the amplifier, and the second - is connected to the common bus amplifier, the inductance value L 2 is defined by:
Figure 00000006
where Q L is the Q factor of the loaded circuit, ω S is the angular frequency of the input signal, according to the invention, a second capacitor C 2 is introduced between the output of the amplifier and the common point of the first inductance L 1 and the inductor, which together with the first inductance L 1 forms a series forming L 1 C 2 -contour, blocking capacitor C bl connected between the common bus of the amplifier and the first terminal of the power source, and the values of the main elements satisfy the following relationships:

Figure 00000007
,
Figure 00000007
,

Figure 00000008
,
Figure 00000008
,

Figure 00000009
,
Figure 00000009
,

Figure 00000010
,
Figure 00000010
,

где Vds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.where V ds is the voltage of the power source, P is the power level of the output signal.

Принципиальная схема предложенного устройства представлена на фиг.6. Усилитель содержит активный ключевой элемент, последовательный к ключу L1C2-контур, параллельный L2C1R-контур с активной нагрузкой R и источник напряжения питания Vds с дросселем Др и блокировочным конденсатором Cбл для развязки ВЧ-цепей по питанию.A schematic diagram of the proposed device is presented in Fig.6. The amplifier contains an active key element, serial to the key L 1 C 2 circuit, a parallel L 2 C 1 R circuit with an active load R and a power supply voltage V ds with a choke Dr and a blocking capacitor C bl for decoupling the RF circuits for power.

Предложенный усилитель работает следующим образом. Принцип работы объясняется формами сигналов, показанными на фиг.7. Эти эпюры напряжения получены следующим образом. Пусть мгновенное напряжение VR(θ) на резисторе R имеет вид: VR(θ)=a0Vdssin(θ+φ), где θ=ωSt, ωS - угловая частота входного сигнала, t - текущее время, а а0 и φ - определяемые ниже величины. Когда ключ разомкнут (во время 0≤θ<π), ток через ключ IS(θ)=Ids-IC(θ)=0, следовательно, через конденсатор С2 протекает ток IC(θ)=Ids. Поскольку при 0≤θ<π ток через ключ не протекает, напряжение на индуктивности L1 отсутствует: VL(θ)=0. Тогда напряжение на ключе VS(θ)=VC(θ)+VR(θ), а напряжение на конденсаторе

Figure 00000011
, где A0 вычисляется из начального условия: VS(θ)=0 при θ=0. В результате при 0≤θ<π
Figure 00000012
. Во включенном состоянии (π≤θ<2π) напряжение на ключе VS(θ)=0, тогда напряжение на индуктивности L1-VL(θ)=VC(θ)+VR(θ) можно записать в виде:
Figure 00000013
. Здесь
Figure 00000014
вычисляется из начального условия VL(θ)=VC(θ) при θ=π. Полученное уравнение может быть представлено в форме дифференциального уравнения второго порядка:
Figure 00000015
с общим решением вида:The proposed amplifier operates as follows. The principle of operation is explained by the waveforms shown in Fig.7. These stress plots are obtained as follows. Let the instantaneous voltage V R (θ) on the resistor R be of the form: V R (θ) = a 0 V ds sin (θ + φ), where θ = ω S t, ω S is the angular frequency of the input signal, t is the current time , and a 0 and φ are the quantities defined below. When the switch is open (during 0≤θ <π), the current through the switch I S (θ) = I ds -I C (θ) = 0, therefore, the current I C (θ) = I ds flows through the capacitor C 2 . Since at 0≤θ <π the current does not flow through the switch, there is no voltage across the inductance L 1 : V L (θ) = 0. Then the voltage on the key is V S (θ) = V C (θ) + V R (θ), and the voltage on the capacitor
Figure 00000011
, where A 0 is calculated from the initial condition: V S (θ) = 0 for θ = 0. As a result, for 0≤θ <π
Figure 00000012
. In the on state (π≤θ <2π), the key voltage V S (θ) = 0, then the voltage across the inductance L 1 -V L (θ) = V C (θ) + V R (θ) can be written in the form:
Figure 00000013
. Here
Figure 00000014
is calculated from the initial condition V L (θ) = V C (θ) for θ = π. The resulting equation can be represented in the form of a second-order differential equation:
Figure 00000015
with a general solution of the form:

Figure 00000016
,
Figure 00000016
,

где

Figure 00000017
, A1=a1Ids, A2=a2Ids, а a1 и a2 - некоторые константы, определяемые ниже. Для того чтобы найти неизвестные константы: q, a0, а1, a2 и φ, необходимы пять уравнений:Where
Figure 00000017
, A 1 = a 1 I ds , A 2 = a 2 I ds , and a 1 and a 2 are some constants defined below. In order to find the unknown constants: q, a 0 , and 1 , a 2 and φ, five equations are needed:

Figure 00000018
,
Figure 00000018
,

Figure 00000019
,
Figure 00000019
,

Figure 00000020
,
Figure 00000020
,

Figure 00000021
,
Figure 00000021
,

Figure 00000022
.
Figure 00000022
.

Уравнения (2) и (3) являются начальными условиями. Уравнение (3) - условие для постоянной составляющей тока Ids, выраженного через ряд Фурье. А выражения (5) и (6) являются основными условиями оптимальной работы данного усилителя в классе «Е». Последние два условия необходимы для достижения максимально возможного КПД устройства - 100%, то есть для того, чтобы в моменты выключения напряжение VS(θ) и ток, протекающий через ключ, IS(θ) не могли иметь существенные значения одновременно, а их произведение IS(θ)VS(θ) было равно нулю.Equations (2) and (3) are the initial conditions. Equation (3) is the condition for the constant component of the current I ds expressed in terms of the Fourier series. And expressions (5) and (6) are the main conditions for the optimal operation of this amplifier in class "E". The last two conditions are necessary to achieve the maximum possible efficiency of the device - 100%, that is, in order for the voltage V S (θ) and the current flowing through the switch, I S (θ) not to have significant values at the same time, and their the product I S (θ) V S (θ) was equal to zero.

В результате численное решение системы из пяти уравнений с пятью неизвестными дает следующие значения:As a result, the numerical solution of a system of five equations with five unknowns gives the following values:

Figure 00000023
Figure 00000023

Figure 00000024
Figure 00000024

Figure 00000025
Figure 00000025

Figure 00000026
Figure 00000026

Figure 00000027
Figure 00000027

Если к уравнению (11) добавить условие для постоянной составляющей напряжения Vds, выраженного через ряд Фурье -

Figure 00000028
, то можно вычислить a0:If we add to equation (11) the condition for the constant component of the voltage V ds , expressed through the Fourier series -
Figure 00000028
, then we can calculate a 0 :

Figure 00000029
Figure 00000029

Именно при таких значениях констант (7)-(10), (12) на фиг.7 и построены эпюры напряжений и тока, нормированные на величины Vds и Ids. Формулы для основных волновых форм можно переписать в виде:It is with these values of the constants (7) - (10), (12) in Fig. 7 that the voltage and current plots are plotted, normalized to the values of V ds and I ds . Formulas for the main waveforms can be rewritten in the form:

Figure 00000030
Figure 00000030

Figure 00000031
Figure 00000031

Figure 00000032
Figure 00000032

Полученные уравнения (14), (15) являются дуальными по отношению к волновым формам для усилителя в классе «Е» с параллельным к ключу формирующим контуром. (См. генератор: Козырев В.Б. Однотактный ключевой генератор с фильтрующим контуром. - В кн.: Полупроводниковые приборы в технике электросвязи. Под ред. И.Ф.Николаевского. - М.: Связь, 1971 - Вып. 8. - С.152-166 и аналогичное ему устройство: Grebennikov A.V., Jaeger Н. Class Е with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1. P.1627-1630). Следовательно, предлагаемая схема является дуальной по отношению к обеим схемам.The obtained equations (14), (15) are dual with respect to the wave forms for the amplifier in the class “E” with a forming circuit parallel to the key. (See generator: Kozyrev VB. Single-cycle key generator with a filter circuit. - In the book: Semiconductor devices in the telecommunication technique. Edited by I.F. Nikolayevsky. - M.: Communication, 1971 - Issue 8. - S.152-166 and a similar device: Grebennikov AV, Jaeger N. Class E with parallel circuit - a new challenge for high-efficiency RF and microwave power amplifiers // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2002, TJ2D-1. P.1627-1630). Therefore, the proposed scheme is dual with respect to both schemes.

Если разложить напряжение VS(θ) в ряд Фурье, то его активная VR и реактивная VX амплитуды могут быть найдены из выражений:If we expand the voltage V S (θ) in a Fourier series, then its active V R and reactive V X amplitudes can be found from the expressions:

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

Тогда фазовый угол между током основной частоты IS1(θ) и напряжением VS1(θ) равен:Then the phase angle between the current of the fundamental frequency I S1 (θ) and voltage V S1 (θ) is equal to:

Figure 00000035
Figure 00000035

Учитывая найденные значения q=1,412, a0=1,211 и то, что фазовый угол может быть представлен как функция элементов выходной цепи -

Figure 00000036
, можно получить оптимальные величины элементов L1, C2, R формирующего L1C2R-контура:Given the found values q = 1.412, a 0 = 1.211 and the fact that the phase angle can be represented as a function of the elements of the output circuit -
Figure 00000036
, you can get the optimal values of the elements L 1 , C 2 , R forming the L 1 C 2 R-circuit:

Figure 00000037
Figure 00000037

Figure 00000038
Figure 00000038

Figure 00000039
Figure 00000039

Учитывая, что величина индуктивности L2 определена через добротность QL нагруженного фильтрующего L2C1-контура в виде:

Figure 00000040
, то величину С1 можно найти по формуле:Given that the inductance value L 2 is determined through the quality factor Q L of the loaded filter L 2 C 1 circuit in the form:
Figure 00000040
, then the value of C 1 can be found by the formula:

Figure 00000041
Figure 00000041

Таким образом, если элементы в усилителе рассчитать по формулам (17)-(20), то в усилителе в полной мере будет реализован режим работы класса «Е». Если при этом считать активный ключевой элемент идеальным, то в таком усилителе может быть получен 100%-ый КПД, a P=IdsVds. Вычисляя при помощи уравнений (14) и (15) пиковые значения тока Imax и напряжения Vmax:Imax=3,647Ids Vmax=2,647Vds, из уравнений (17) - (19) может быть определена максимальная частота работы усилителя в таком оптимальном режиме в двух равнозначных видах:Thus, if the elements in the amplifier are calculated according to formulas (17) - (20), then the class “E” mode of operation will be fully implemented in the amplifier. If at the same time we consider the active key element to be ideal, then in such an amplifier 100% efficiency can be obtained, a P = I ds V ds . Using equations (14) and (15), calculating the peak values of current I max and voltage V max : I max = 3,647I ds V max = 2,647V ds , the maximum frequency of the amplifier operation can be determined from equations (17) - (19) in such an optimal mode in two equivalent forms:

Figure 00000042
Figure 00000042

Figure 00000043
Figure 00000043

Поскольку выходной импеданс всех транзисторных ключей носит емкостной характер, именно величина выходной емкости ключа Cds в параллельной (или последовательной) выходной цепи дает основное ограничение на рабочую частоту большинства усилителей класса «Е». Например, для повышения fmax в схемах усилителей класса «Е» Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D. невозможно установить величину выходной емкости, меньшую Cds. В предлагаемом же устройстве выходная емкость ключа Cds не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость формирующего контура. Фактически величина С2 в формуле (21) уменьшается, а fmax дополнительно увеличивается. Выходная емкость ключа Сds здесь может быть также полностью скомпенсирована и при помощи индуктивности L1. Таким образом, в предлагаемом усилителе выходная емкость ключа Cds (в выходной цепи последовательного типа) в работе формирующего контура не участвует, a fmax ею не ограничивается. Здесь частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» fmax может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как для уменьшения величин С2 и L1 в формулах (21) и (22) нет никакого практического предела. Уменьшение C2 и L1 ограничиваются только возможностью их практической реализуемости. Хотя величина емкости С2 и может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения fmax предлагаемого усилителя и fmax известных устройств (схем Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D.) выберем ее равной Сds. Если дополнительно напряжение питания и максимальный ток ключа в предложенном устройстве выбрать такими же, как и Vds, Imax в схемах Козырева В.Б. и Sokal N.O., Sokal A.D., то по числовым коэффициентам в формулах для fmax можно судить об отличии fmax этих устройств. Эти коэффициенты следующие:

Figure 00000044
и
Figure 00000045
- для известных устройств и
Figure 00000046
- для предлагаемого усилителя. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С2 выбрана равной Сds, максимальная частота предлагаемого усилителя выше в 1,45 и 2,47 раза по сравнению с fmax рассмотренных аналогов (схемы Козырева В.Б. и схемы Sokal N.O. и Sokal A.D.). Очевидно, что, если величину C2 выбрать меньшей Сds, то отличие fmax этих устройств будет еще больше.Since the output impedance of all transistor switches is capacitive in nature, it is the value of the output capacitance of the key C ds in the parallel (or serial) output circuit that gives the main limitation on the operating frequency of most class “E” amplifiers. For example, to increase f max in the circuits of amplifiers of class "E" Kozyreva VB and Sokal NO, Sokal AD, it is not possible to set the output capacitance value lower than C ds . In the proposed device, the output capacity of the key C ds does not increase, but decreases the total capacity of the forming circuit. In fact, the value of C 2 in the formula (21) decreases, and f max additionally increases. The output capacitance of the key With ds here can also be fully compensated with the inductance L 1 . Thus, in the proposed amplifier, the output capacitance of the key C ds (in the serial output type circuit) is not involved in the operation of the forming circuit, af max is not limited to it. Here, the frequency boundary for the optimal implementation of an amplifier of class “E” f max can be moved to a higher frequency region, since there is no practical limit to reduce the values of C 2 and L 1 in formulas (21) and (22). The decrease in C 2 and L 1 is limited only by the possibility of their practical feasibility. Although the value of the capacitance C 2 can be chosen arbitrarily small, for a rough comparison of f max of the proposed amplifier and f max of the known devices (Kozyrev VB schemes and Sokal NO, Sokal AD), we choose it equal to C ds . If, in addition, the supply voltage and the maximum current of the switch in the proposed device are the same as V ds , I max in the schemes of V. Kozyrev and Sokal NO, Sokal AD, then by the numerical coefficients in the formulas for f max you can judge the difference f max of these devices. These ratios are as follows:
Figure 00000044
and
Figure 00000045
- for known devices and
Figure 00000046
- for the proposed amplifier. Therefore, even with such a rough estimate, when the value of C 2 is chosen equal to C ds , the maximum frequency of the proposed amplifier is 1.45 and 2.47 times higher than the f max of the considered analogues (V. Kozyrev’s scheme and Sokal NO and Sokal AD). Obviously, if the value of C 2 is chosen less than C ds , then the difference f max of these devices will be even greater.

Сравним fmax предлагаемого усилителя и fmax устройства (См. книгу: Повышение эффективности мощных радиопередающих устройств/А.Д.Артым, А.Е.Бахмутский, Е.В.Козин и др. Под ред. А.Д.Артыма. - М.: Радио и связь, 1987. - 176 с.). В данном аналоге также невозможно установить величину выходной емкости С0 (См. фиг.4), меньшую Сds. Вместе с тем, в предлагаемом устройстве выходная емкость ключа Сds не увеличивает, а уменьшает суммарную емкость С2 формирующего контура. Это значит, что частотная граница для оптимальной реализации усилителя класса «Е» fmax здесь может быть отодвинута в более высокочастотную область, так как величины С2 и L1 в формулах (21) и (22) могут быть уменьшены до тех значений, которые в принципе могут быть реализованы на практике. Хотя и величина емкости C2 может быть выбрана сколь угодно малой, для грубого сравнения максимальных частот предлагаемого усилителя и схемы Артыма А.Д. выберем ее равной Сds. Если, кроме этого, в обоих усилителях Vds и Imax выбрать одинаковыми, то по числовым коэффициентам (

Figure 00000046
и
Figure 00000047
) в формулах для fmax можно также судить об отличии максимальных частот этих устройств. Следовательно, даже при такой грубой оценке, когда величина С2 выбрана равной Сds, fmax предлагаемого усилителя выше в 1,33 раза. На практике же величина С2 может быть выбрана меньшей Сds, тогда отличие fmax этих устройств будет еще больше.Compare the f max of the proposed amplifier and f max device (See the book: Improving the efficiency of powerful radio transmitting devices / A.D. Artym, A.E. Bakhmutsky, E.V. Kozin, etc. Edited by A.D. Artym. - M .: Radio and communications, 1987. - 176 p.). In this analogue, it is also impossible to set the value of the output capacitance C 0 (See figure 4), less C ds . However, in the proposed device, the output capacity of the key C ds does not increase, but decreases the total capacity C 2 of the forming circuit. This means that the frequency boundary for the optimal implementation of the class “E” amplifier f max can here be moved to a higher frequency region, since the values of C 2 and L 1 in formulas (21) and (22) can be reduced to those values that In principle, they can be implemented in practice. Although the value of the capacitance C 2 can be chosen arbitrarily small, for a rough comparison of the maximum frequencies of the proposed amplifier and the circuit Artyma A.D. we choose it equal to C ds . If, in addition, in both amplifiers V ds and I max are chosen the same, then by numerical coefficients (
Figure 00000046
and
Figure 00000047
) in the formulas for f max you can also judge the difference in the maximum frequencies of these devices. Therefore, even with such a rough estimate, when the value of C 2 is chosen equal to C ds , f max of the proposed amplifier is 1.33 times higher. In practice, the value of C 2 can be chosen less than C ds , then the difference f max of these devices will be even greater.

Для того чтобы сравнить fmax предлагаемого усилителя с максимальными частотами других известных устройств (См. Kazimierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No. 1. February 1981, P.2-7 и патент РФ на изобретение №2306667 с приоритетом от 22.12.2005, Н03F 3/193. Ключевой усилитель мощности / Баранов А.В.), используем равнозначную (21) формулу (22) для fmах. Выберем величины L (См. фиг.2) и L1 (См. фиг.5 и 6) одинаковыми и одновременно сколь угодно малыми, так как они все в равной степени ограничены снизу. Если дополнительно ток потребления и максимальное напряжение на ключе в предложенном устройстве выбрать такими же, как и Ids, Vmax в прототипе и усилителе Kazimierczuk M., то по числовым коэффициентам (

Figure 00000048
и
Figure 00000049
) в формулах для fmax также можно судить об отличии fmax этих устройств. Следовательно, по сравнению с максимальными частотами рассмотренного аналога и прототипа fmax предлагаемого усилителя здесь выше в 1,71 раза.In order to compare the f max of the proposed amplifier with the maximum frequencies of other known devices (See Kazimierczuk M. Class E tuned power amplifier with shunt inductor // IEEE Jour. Of Solid-State Circuits, Vol.SC-16, No. 1. February 1981, P.2-7 and RF patent for invention No. 2306667 with priority dated December 22, 2005, H03F 3/193. Key power amplifier / Baranov A.V.), we use the equivalent (21) formula (22) for f max . We choose the values of L (See figure 2) and L 1 (See figure 5 and 6) the same and at the same time arbitrarily small, since they are all equally bounded from below. If in addition the current consumption and the maximum voltage on the key in the proposed device are the same as I ds , V max in the prototype and amplifier Kazimierczuk M., then by the numerical coefficients (
Figure 00000048
and
Figure 00000049
) in the formulas for f max you can also judge the difference f max of these devices. Therefore, compared with the maximum frequencies of the considered analogue and prototype f max of the proposed amplifier here is 1.71 times higher.

Таким образом, оптимальный режим класса «E» в предлагаемом усилителе по сравнению с известными устройствами может быть обеспечен на более высоких частотах.Thus, the optimal mode of class "E" in the proposed amplifier in comparison with known devices can be achieved at higher frequencies.

Пример конкретного выполнения устройства. An example of a specific implementation of the device.

Усилитель мощности выполнен на LDMOSFET транзисторе типа MRF282S фирмы Motorola (сейчас Freescale Semiconductor). Усилитель работает на частоте 920 МГц. Если выбрать Vds=20,0 В, Р=10 Вт и QL=5, то расчетные значения элементов усилителя следующие: L1=3,5 нГн, C2=4.3 пФ, С1=1,2 пФ, L2=25,4 нГн, R=29.3 Ома. Индуктивность L1 и емкость С1 пересчитывались в отрезки микрополосковых линий передач, реализованных на подложке из Аl2О3-керамики с диэлектрической проницаемостью 9.8. Пересчет производился при помощи известных формул:

Figure 00000050
,
Figure 00000051
. Здесь f=ωS/2π,
Figure 00000052
,
Figure 00000053
и
Figure 00000054
,
Figure 00000055
- электрические длины (в градусах) и волновые сопротивления микрополосковых линий передач, которые соответствуют индуктивности L1 емкости С1. Если для пересчета L1 и C1 выбрать
Figure 00000056
=50 Омам и
Figure 00000057
=40 Омам, то
Figure 00000058
=23.2° и
Figure 00000059
=15.9°. Отсюда нетрудно найти длины микрополосков
Figure 00000060
и
Figure 00000061
, где
Figure 00000062
,
Figure 00000063
- длины волн в соответствующих микрополосковых линиях передач. Индуктивность L2=25,4 нГн, емкость С2=4,3 пФ, Cбл=1000 пФ и дроссель Др с индуктивностью 250 нГн в макете усилителя удобно выполнить в виде сосредоточенных элементов. Следует отметить, что здесь величина С2 выбрана большей 4,3 пФ (С2=10 пФ) для того, чтобы скомпенсировать выходную емкость ключа Cds (в выходной цепи последовательного типа). Выходная емкость ключа Cds (в цепи последовательного типа) составляет 10-12 пФ при той настройке входной цепи, которая использована в предлагаемом макете. Для оценки Cds здесь использована методика, предложенная в работе Баранова А.В. «Дуальные СВЧ-усилители мощности в классе «Е»». - Радиотехника, 2007, №3, с.71-78. Все элементы были реализованы в макете усилителя (См. фиг.8). Напряжение на затворе транзисторного ключа выбрано приблизительно на (0,3-0.6) В меньше, чем напряжение отпирания транзистора. Кроме того, уровень входного сигнала был выбран таким, чтобы транзистор работал в режиме насыщения. Эти условия необходимы для того, чтобы транзистор ближе соответствовал идеальному ключу.The power amplifier is made on an LDMOSFET transistor type MRF282S from Motorola (now Freescale Semiconductor). The amplifier operates at a frequency of 920 MHz. If you choose V ds = 20.0 V, P = 10 W and Q L = 5, then the calculated values of the amplifier elements are as follows: L 1 = 3.5 nH, C 2 = 4.3 pF, C 1 = 1.2 pF, L 2 = 25.4 nH; R = 29.3 Ohm. The inductance L 1 and capacitance C 1 were converted into segments of microstrip transmission lines implemented on a substrate of Al 2 O 3 ceramic with a dielectric constant of 9.8. Recalculation was carried out using well-known formulas:
Figure 00000050
,
Figure 00000051
. Here f = ω S / 2π,
Figure 00000052
,
Figure 00000053
and
Figure 00000054
,
Figure 00000055
- the electrical lengths (in degrees) and wave impedances of the microstrip transmission lines, which correspond to the inductance L 1 of the capacitance C 1 . If for the conversion of L 1 and C 1 choose
Figure 00000056
= 50 ohms and
Figure 00000057
= 40 ohms then
Figure 00000058
= 23.2 ° and
Figure 00000059
= 15.9 °. From here it is not difficult to find the lengths of microstrips
Figure 00000060
and
Figure 00000061
where
Figure 00000062
,
Figure 00000063
- wavelengths in the respective microstrip transmission lines. Inductance L 2 = 25.4 nH, capacitance C 2 = 4.3 pF, C bl = 1000 pF and the inductor Dr with an inductance of 250 nH in the amplifier layout is conveniently performed in the form of lumped elements. It should be noted that here the value of C 2 is chosen to be greater than 4.3 pF (C 2 = 10 pF) in order to compensate for the output capacitance of the key C ds (in the output circuit of a sequential type). The output capacitance of the key C ds (in the serial type circuit) is 10-12 pF with the input circuit setting used in the proposed layout. To evaluate C ds, we used the technique proposed in the work of A. Baranov. "Dual microwave power amplifiers in the class" E "." - Radio engineering, 2007, No. 3, p. 71-78. All elements were implemented in the layout of the amplifier (See Fig. 8). The voltage at the gate of the transistor switch is selected approximately (0.3-0.6) V less than the unlock voltage of the transistor. In addition, the input signal level was chosen so that the transistor operates in saturation mode. These conditions are necessary in order for the transistor to more closely match the ideal key.

Были измерены основные характеристики разработанного усилителя. При входной мощности Pвх=0,25 Вт, напряжении питания Vds=20,0 В и токе потребления Ids=0,51 А получено максимальное значение КПД по добавленной мощности, КПД=71.1%. Соответственно стоковый КПД данного усилителя получается несколько выше и равняется 73.5%. При этом уровень выходной мощности Р составил 7,5 Вт.The main characteristics of the developed amplifier were measured. When the input power P I = 0.25 W, the supply voltage V ds = 20.0 V and the current consumption I ds = 0.51 A, the maximum value of the efficiency for the added power was obtained, the efficiency = 71.1%. Accordingly, the stock efficiency of this amplifier is slightly higher and equals 73.5%. The output power level P was 7.5 watts.

Таким образом, пример конкретной реализации предложенного устройства подтверждает возможность получения высоких значений КПД (более 70%) в усилителях повышенной мощности СВЧ-диапазона. А сравнение числовых коэффициентов в формулах для максимальной частоты работы предложенного и аналогичных устройств в режимах класса «Е» доказывает, что fmax в предложенном усилителе в 1.71 раза выше самых высокочастотных аналогов и прототипа, в частности.Thus, an example of a specific implementation of the proposed device confirms the possibility of obtaining high values of efficiency (more than 70%) in amplifiers of increased power in the microwave range. A comparison of the numerical coefficients in the formulas for the maximum frequency of operation of the proposed and similar devices in the “E” class modes proves that f max in the proposed amplifier is 1.71 times higher than the highest frequency analogs and the prototype, in particular.

Claims (1)

Ключевой усилитель мощности, содержащий активный ключевой элемент, первая точка которого является его выходом, вторая - его входом и одновременно входом усилителя, а третья является его общей точкой и общей шиной усилителя в целом, первую индуктивность L1, которая одним выводом подключена к выходу активного ключевого элемента, а другим через дроссель - к первой клемме источника питания, вторая клемма которого соединена с общей шиной усилителя, блокировочный конденсатор Сбл и параллельно соединенные вторая индуктивность L2, первый конденсатор C1, активная нагрузка R, которые образуют параллельный L2C1R - контур, один общий вывод которого является выходом усилителя, а второй подключен к общей шине усилителя, величина индуктивности L2 определена формулой
Figure 00000064
,
где QL - добротность нагруженного контура;
ωS - угловая частота входного сигнала,
отличающийся тем, что между выходом усилителя и общей точкой первой индуктивности L1 и дросселя введен второй конденсатор С2, который вместе с первой индуктивностью L1 образует последовательный формирующий L1C2 - контур, блокировочный конденсатор Сбл подключен между общей шиной усилителя и первой клеммой источника питания, а величины основных элементов удовлетворяют следующим соотношениям:
Figure 00000065

Figure 00000066
,
Figure 00000067
,
Figure 00000068
,
где Vds - напряжение источника питания, Р - уровень мощности выходного сигнала.
A key power amplifier containing an active key element, the first point of which is its output, the second is its input and simultaneously the input of the amplifier, and the third is its common point and the common bus of the amplifier as a whole, the first inductance L 1 , which is connected to the output of the active one output the key element, and through the inductor to the first terminal of the power source, the second terminal of which is connected to the common bus of the amplifier, the blocking capacitor C bl and the second inductance L 2 connected in parallel, the first condenser sator C 1 , the active load R, which form a parallel L 2 C 1 R - circuit, one common output of which is the output of the amplifier, and the second is connected to the common bus of the amplifier, the inductance value L 2 is determined by the formula
Figure 00000064
,
where Q L is the quality factor of the loaded circuit;
ω S is the angular frequency of the input signal,
characterized in that between the output of the amplifier and the common point of the first inductance L 1 and the inductor, a second capacitor C 2 is introduced, which together with the first inductance L 1 forms a series circuit L 1 C 2 - circuit, a blocking capacitor C bl connected between the common bus of the amplifier and the first power supply terminal, and the values of the main elements satisfy the following relationships:
Figure 00000065

Figure 00000066
,
Figure 00000067
,
Figure 00000068
,
where V ds is the voltage of the power source, P is the power level of the output signal.
RU2009109576/09A 2009-03-16 2009-03-16 Key power amplifier RU2402149C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009109576/09A RU2402149C1 (en) 2009-03-16 2009-03-16 Key power amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009109576/09A RU2402149C1 (en) 2009-03-16 2009-03-16 Key power amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2402149C1 true RU2402149C1 (en) 2010-10-20

Family

ID=44024072

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009109576/09A RU2402149C1 (en) 2009-03-16 2009-03-16 Key power amplifier

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2402149C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2824751C1 (en) * 2023-10-19 2024-08-13 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Power amplifier

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2824751C1 (en) * 2023-10-19 2024-08-13 Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Салют" Power amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4476534B2 (en) Amplifier circuit
US8581665B2 (en) Doherty amplifier
US6879209B2 (en) Switched-mode power amplifier using lumped element impedance inverter for parallel combining
EP3093987A1 (en) Phase correction in a doherty power amplifier
KR101089891B1 (en) Integrated power amplifier for use in wireless communication devices
JP7015912B2 (en) Parametric amplifier system
JP5979559B2 (en) High efficiency power amplifier
US20100019857A1 (en) Hybrid impedance matching
US9806394B2 (en) 0/90 degree coupler with complex termination
KR102598591B1 (en) Power amplifier circuit
JP2010537453A (en) Tunable impedance matching circuit
EP2740213A1 (en) A high efficiency power amplifier
CN111800093A (en) Integrated doherty amplifier
US11901867B2 (en) Differential amplifier circuit
Moloudi et al. Broadband class-E power amplifier design using tunable output matching network
WO2004023646A1 (en) Class-f doherty amplifier
US10270396B2 (en) Push-pull amplification systems and methods
RU2402149C1 (en) Key power amplifier
Aflaki et al. Enhanced architecture for microwave current-mode class-D amplifiers applied to the design of an S-band GaN-based power amplifier
Zhou et al. Class-F power amplifier with dual-mode filtering response
WO2016202370A1 (en) A radio frequency transformer for transforming an input radio frequency signal into an output radio frequency signal
JP2005341447A (en) High-frequency power amplifier
US8723601B2 (en) Amplifier
RU2393624C1 (en) Key power amplifier
JP2010171650A (en) Bias circuit

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20140317