RU6480U1 - Высокочастотный высокоэффективный усилитель мощности - Google Patents

Description

вьюокочАстотнш ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ мощности

Полезная модель относится к области радиотехники, а именно к ключевым усилителям мощности, предназначенным для усиления с высоким КПД высокочастотных электрических колебаний.

Известно техническое решение по авторскому свидетельству СССР N 210321 кл. H03F 1/02 однотактного транзисторного ключевого усилителя мопщости, содержащего транзистор, коллектор которого через последовательный контур соединен с нагрузкой и дросселем, второй конец которого соединен с источником питания и через блокировочный конденсатор с общей шиной, соединенной со вторым конденсатором, а между вторым конденсатором и коллектором транзистора включен четвертьволновый отрезок длинной линии.

В данном устройстве взаимодействие элементов схемы позволяет получить ключевые формы тока и напряжения на активном элементе при пик-факторе коллекторного напряжения, равном 2, что позволяет при высоком коэффициенте усиления получить высокий КПД.

Однако недостатком известного технического решения является падение КПД при увеличении рабочей частоты. Это объясняется наличием паразитной емкости (включающей в себя емкость активного элемента и монтажную емкость), которая ведет к увеличению длительности фронтов коллекторного напряжения, а следовательно и к увеличению коммутативных потерь, связанных с

J

МКИ H03F 3/217

перезарядом паразитной емкости при переключении активного элемента, и уменьшению КЦЦ.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модел} является известное техническое решение патент Японии N 4-6131 кл. H03F 3/60,3/21 усилителя мощности, содержащего последовательно соединенные входную цепь согласования импеданса, усилительный элемент, фильтр, состоящий из последовательной цепи из индуктивности и конденсатора, обеспечивающвй последовательный резонанс на рабочей частоте, и конденсатора, присоединенного параллельно этой последовательной цепи и обеспечивающего параллельный резонанс на третьей гармонике рабочей частоты, и выходную цепь согласования импеданса, содержапщй также цепь, шунтирующую вторую гармонику или все четнью гармоники, подюш)ченную параллельно к выходу активного алекюнта, напряжение питания на который подается через цепь, соединяющую выход актршного элемента и источник питания.

Данное техническое репюние также позволяет при высоком коэффициенте усиления получить высокий К1Щ, но отличается от аналога более высоким подавлением высших гармоник в спектре выходного сигнала. Однако его КГЩ также уменьшается с ростом рабочей частоты из-за влияния паразитной емкости.

Предлагаемый высокочастотный высогаэаффективный усилитель мощности содержит последовательно соединенные входную цепь согласования импедаяса, усилительный Элемент, фильтр, пропускающий рабочую частоту и имекярй высокий входной импеданс на нечетных или всех высших гщяюниках рабочей частоты, и выходную цепь согласования импеданса, содержит также формирующую цепь, создаюшую низкий импеданс на выходе усилительного эле..

- 2 мента на второй или всех четных гармониках, подключенную параллельно к выходу усшштельного элемента, напряжение питания на который подается через цепь питания, имеющую низкое сопротивление для постоянного тока и высокий входной импеданс на рабочей частоте и всех высших ее гармониках, вход которой соединенен с выходом усилительного элемента, а выход которой подключен к источни1ог питания, и отличается тем, что в него введена цепь, подключенная параллельно к выходу усилительного элемента, имеющая индуктивный импеданс на третьей гармонике рабочей частоты и образующая с паразитной выходной емкостью усилительного элемента параллельный контур на этой гармонике.

Увеличение КЕЩ в предлаг мом устрюйстве становится возможным благодаря тому, что функциональное взаимодействие элементов схемы ведет к уменьшению длительности фронтов коллекторного напряжения, чего обуславливает в свою очередь уменьшение потерь во время переключения активного элемента и увеличение КПД.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого усилителя.

На фиг. Е представлены рассчитанные на ЭШ зависимости КПД от нагруженной добротности выходной цепи ( рабочая частота, « - величина паразитной емкости, - сопротивление нагрузки на зажимах усилительного элемента) при оптимальном с точки зрения общего КПД уровне входного сигнала для известных схем по авторскиму свидетельству СССР N 210321 и патенту Шонии N 4-6131 и для предлагаемой схемы, подтверждающие эффект увеличения КПД на высоких чзютотах.

о

Цредлагаемый высокочастотный ключевой усилитель мощности содержит входную цепь согласования импеданса 1, усилительный элемент 2, цепь питания 3, имеющую низкое сопротивление для постоянного тока и высокий входной импеданс на рабочей частоте и всех высших гармониках, цепь 4, имеющую индуктивный импеданс на третьей гармонике рабочей частоты, формрфующую цепь 5, создающую низкий импеданс на выходе активного элемента на второй или всех четных гармониках, фильтр 6, пропускакщий рабочую частоту и имеющий высокий входной импеданс на всех высших гармониках рабочей частоты, выходную цепь согласования импеданса 7.

Входом ВЧ-сигнала усилителя является вход входной цепи согласования импеданса 1, выход которой соединен со входом усилительного элемента 2. К выходу усилительного элемента 2 подключены цепь 4 и формирующая цепь 5, вторые концы которых могут быть соединены с общей шиной. К выходу активного элемента подключена также цепь питания 3, второй конец которой соединен с источником питания. Шход усилительного элемента 2 соединен через фильтр 6 со входом выходной цепи согласования импедансов 7, выход которой является выходом усилителя. Общие выводы цепей 1, 3, 4, 6, 7, схемы 5, усилительного элемента 2 соединены с общей шиной.

Входная цепь согласования импеданса 1 проектируется в соответствии с известными методиками построения входных согласующих цепей усилителя класса В, описанными, например, в литературе: Радиопередающие устройства: Учебник для вузов. /Под ред. М. В. Благовещенского, В. М. Уткина. - М.: Сов. радио, 1982, 408 с. В качестве ycmoErejobHoro элемента могут быть применены как биполярные, так и полевые транзисторы с барьером Шоттки,

- 4 включенные по схеме с общим эмиттером шш общим истоком. В качестве цепи питания, имензщей низкое сопротивление для постоянного тока и высокий входной импеданс на рабочей частоте и всех высших ее гармониках, может бьлгь применен дроссель либо отрезок длинной линии. Цепь 4, имеющая индуктивный импеданс на третьей гармонике рабочей частоты и образующая с паразитной выходной емкостью усилительного элемента параллельный контур на этой гармонике, может бьЕгь выполнена в виде индуктивности, соединенной с общей шиной через конденсатор либо в виде отрезока длинной линии соответствующей длинны с подключенным ко второму концу конденсатором или без такового. В качестве формирующей цепи 5, создаоцей низкий импеданс на выходе усилительного элемента на второй или всех четных гармониках, чашэ всего применяется четвертьволновый на рабочей частоте отрезок длинной линии с подключенным ко второму концу блокировочным конденсатором. Фильтр 6, пропускаоций рабочую частоту и имеющий высокий входной импедЕшс на нечетных или всех высших гармониках рабочей частоты, может быть выполнен в виде последовательного контура, настроенного на рабочую частоту с подключенным параллельно ему конденсатором или без такового, исходная цепь согласования импеданса 7 проектируется так, чтобы нагрузка усилителя трансформировалась в нагрузку усилительного элемента в соответствии с выражением: Y f где Р, 5 -i. + ;& 8(Е) J выходная мощность, на которую рассчитывается усилитель; коэффициент использования напряжения (мвс//, здесь Ut4Qe напряжение насыщения транзистора 2. ;в проводимость на рабочей частоте параллельного контура, состоящего из цепи 4 и паразитной выходной емкости CV,. - 6

Предложенное устройство бьлло проверено в конкретной конструктивной реализации. В качестве активного элемента использовался транзистор 2Т995А-2.

Усилитель работает следующим образом. Цри угле отсечки 90 на низких частотах под воздействием внешнего сигнала транзистор полпериода находится в состоянии насыщения, а в последущую половину периода напряжение на нем равно 2Е. Однако при работе на высоких частотах из-за перезаряда паразитной емкости происходит увеличение длительности фронтов выходного напряжения транзистора, при этом транзистор будет находиться в состоянии насыщения в течении времени, меньшем полпериода. Благодаря этому появляются временные интерва.пы, когда при наличии напряжения на транзисторе через него протекает ток, что ведет к увеличению потерь и уменьшению КПД. Применение цепи, имеюп го индуктивный импеданс на третьей гармонике рабочей частоты и образующего с паразитной емкостью усилительного элемента параллельный контур на этой гармонике, позволяет уменьшить эти временные интервалы, поскольку паразитная емкость, проводимость которой го Си резко возрастает с увеличением рабочей частоты усилителя, разряжается не только через открытый транзистор как в известных технических решениях по авторскому свидетельству СССР N 210321 и патенту Японии N 4-6131, но и через цепь 4. Это позволяет снизить потери во время переключения уси.пительного элемента и увеличить НЦД.

показьЕвают, что при применение цепи 4, образующей параллельный шзнтур с паразитной емкостью Сп позволяет увеличить КПД на 8 f 12 % и уменьшить потери на усилительном элементе в 2 f 3 раза, причем преимупрства предлагаемой схемы возрастают с ростом частоты (по сравнению с прототипом). Результаты расчетов подтверждаются згазперикентальными данными.

- 7 -

Claims (1)

1. Высокочастотный высокоэффективный усилитель мощности, содержащий последовательно соединенные входную цепь согласования импеданса, усилительный элемент, фильтр, пропускающий рабочую частоту и имеющий высокий входной импеданс на нечетных или всех высших гармониках рабочей частоты, и выходную цепь согласования импеданса, а также формирующую цепь, создающую низкий импеданс на выходе активного элемента на второй или всех четных гармониках, подключенную параллельно к выходу усилительного элемента, цепь питания, имеющую низкое сопротивление для постоянного тока и высокий входной импеданс на рабочей частоте и всех высших ее гармониках, вход которой соединен с выходом усилительного элемента, а выход которой подключен к источнику питания, отличающийся тем, что в него введена цепь, подключенная параллельно к выходу усилительного элемента, имеющая индуктивный импеданс на третьей гармонике рабочей частоты и образующая с паразитной выходной емкостью усилительного элемента параллельный контур на этой гармонике.