Основы усилителей Догерти

Введение

На дворе 1936 год. Времена бума 1920-х годов остались в далеком прошлом, поскольку идет Великая депрессия. Новый курс президента Рузвельта спасает многих от голода на улице. Однако политическая битва бушует, республиканцы в Конгрессе и Верховный суд стремятся отменить некоторые программы стимулирования Рузвельта, которые они считают неконституционными и недружественными по отношению к бизнесу. Президент, в свою очередь, стремится укрепить свою власть. Поколение американцев на собственном горьком опыте узнало, как заставить доллар иметь большое значение.

Операторы радиостанций не избежали экономической катастрофы, охватившей мир. В те дни почти все занимались экономией. Именно в этом контексте Уильям Догерти придумал свой одноименный усилитель [3]. По мере роста важности радиовещания и трансокеанской радиотелефонии требовались мощные передатчики. Основным типом модуляции была амплитудная модуляция, что означало, что оконечный усилитель мощности должен был сохранять правильность сигнала. Из-за характеристик AM-сигнала обычные усилители класса AB в среднем будут работать очень неэффективно (около 33%), поскольку пиковая эффективность достигается только при работе усилителя вблизи точки компрессии. Большая часть электроэнергии, которая стоила реальных денег, лишь нагревала окружающую среду. Когда радиовещательная станция мощностью 50 кВт или трансатлантический коротковолновый передатчик мощностью 500 кВт использовали оконечные усилители в этом классе работы, то на тепло уходило от 100 кВт до 1 МВт мощности, что приводило к непомерным счетам за электроэнергию!

Проблема заключается в том, что для амплитудной модуляции (будь то двухполосная АМ с несущей или без несущей или однополосная АМ) необходим РЧ усилитель мощности с низким уровнем искажений, чтобы поддерживать точность сигнала. Самые эффективные РЧ усилители мощности того времени были, как правило, класса C. Усилители класса C являются нелинейными (создают высокие искажения) и не поддерживают подходящую точность для сигналов амплитудной модуляции (но отлично работают для приложений с постоянной несущей, таких как FM и амплитудная телеграфия, например, код Морзе). То, что сделал Догерти, – это объединение усилителей класса AB и класса C удивительно умным способом, так что при сохранении линейности всего усилителя, КПД увеличивался почти вдвое.

Несмотря на то, что на протяжении многих лет усилитель Догерти использовался в ряде мощных радиовещательных станций, в конечном итоге его перестали использовать. Повторный интерес к усилителям Догерти был вызван тем, чего сам Уильям Догерти никогда не мог предвидеть: развитием цифровой радиосвязи. Сложные схемы модуляции, такие как мультиплексирование с ортогональным частотным разделением (OFDM) и схемы с кодовым разделением, такие как CDMA, создают сигналы, которые большую часть своего времени проводят около некоторого низкого среднего уровня, но иногда производят пики сигнала, которые требуют от усилителя мощности 6, 8, 12 дБ запаса по мощности. Усилитель класса AB может обеспечить необходимую линейность, но общая эффективность преобразования постоянного тока в ВЧ сигнал будет не очень хорошей, поскольку большую часть времени усилитель будет работать далеко от точки компрессии. Для базовой станции сотовой связи или передатчика цифрового телевидения чрезмерное выделяемое тепло бесполезно и увеличивает стоимость предоставляемых услуг. Для портативного передающего устройства с аккумуляторным питанием из-за неэффективности сильно сокращается время разговора. Если вашей целью является одновременная оптимизация линейности и эффективности усилителя, усилитель Догерти может предоставить решение.

В данной статье мы рассмотрим поведение усилителей класса AB и класса C, а затем подробно рассмотрим, как эти два типа усилителей могут быть объединены для создания системы, которая сохраняет точность сигнала, а также повышает эффективность. В современной интерпретации духа разработчиков 1930-х годов мы построим компьютерную модель усилителя Догерти, чтобы продемонстрировать, как составляющие его блоки работают вместе, обеспечивая высокую эффективность преобразования постоянного тока в сигнал радиочастоты при «пониженных» уровнях мощности, при этом сохраняя способность воспроизводить пики сигнала выше среднего уровня мощности сигнала.

Усилители класса AB и класса C

Для моделирования мы будем строить наши усилительные каскады на базе двухтактного усилителя с трансформаторной связью из [1], показанного на рисунке 1.

В действительности, практическая реализация выглядела бы несколько иначе, но трансформаторная связь и отдельные входы смещения базы и коллектора обеспечивают удобные точки для настройки переменных моделирования (например, смещения, входной и выходной связи) для этого исследования усилителя Догерти.

Усилитель класса AB

Усилитель на рисунке 1 можно заставить работать в классе AB, отрегулировав смещение базы V_ББ таким образом, чтобы через коллекторы протекал небольшой ток покоя (то есть транзисторы смещены при отсутствии сигнала в свою точку «открывания»). Усилитель будет рассчитан на работу на частоте 500 МГц (произвольно выбранная частота). Когда на вход подается синусоидальное РЧ-возбуждение, на выходе создается хорошо его повторяющий синусоидальный выходной сигнал, пока усилитель не начнет уходить в компрессию. Это ясно видно из искажения формы сигналов более высокого уровня на рисунке 2.

При низких входных уровнях (от 0,25 до 1 В) выходной уровень усилителя пропорционален входному уровню и линейному коэффициенту усиления усилителя. Мы также видим, что сигнал имеет красивую синусоидальную форму (низкие искажения). Когда уровень входного сигнала превышает 1 В, выходной уровень больше не пропорционален входному. Усилитель переходит в компрессию. Более того, форма сигнала становится несколько искаженной.

Важно помнить, что этот конкретный усилитель класса AB во многом похож на источник тока при работе в низкоуровневом «линейном» режиме (поскольку коллекторы транзисторов управляют выходным трансформатором). Как следствие, выходной импеданс относительно высок. Однако когда усилитель насыщается, он начинает больше походить на источник напряжения. Импеданс коллектора транзистора падает, потому что теперь мы видим низкий импеданс шин питания. В состоянии насыщения транзистор почти полностью «открыт».

Усилитель класса C

Изменив точку смещения усилителя на рисунке 1, мы можем создать усилитель класса C. В этом случае транзисторы смещены ниже точки отсечки. При низком входном сигнале этот усилитель пропускает незначительный ток коллектора и «просыпается» при высоких уровнях входного сигнала. Типовое поведение класса C наблюдается в выходном сигнале усилителя на рисунке 3.

Обратите внимание, как начинает появляться выходной сигнал, когда входное напряжение составляет около 0,75 В. Сигнал очень «пиковый» со значительными периодами, когда транзисторы «закрыты» (плато около напряжения нагрузки 0 В). Очевидное искажение выходного сигнала показывает, что точность воспроизведения сигнала в этом усилителе не сохраняется ни при каких условиях. Как нам использовать два усилителя с искажениями для получения окончательного выходного сигнала с хорошей точностью?

Идея Догерти

Идея состоит в том, чтобы использовать усилитель класса C для «дополнения» сигнала, когда усилитель класса AB переходит в режим компрессии. Ниже определенной точки командует парадом усилитель класса AB. Мы будем называть каскад класса AB усилителем «несущей». Когда сигнал близок к своему среднему уровню, каскад класса C не работает, а усилитель несущей работает около точки компрессии, следовательно, работает на наиболее эффективном уровне (в идеале КПД составляет около 78%). Как только появляются пики, начинает работать каскад класса C и «дополнять» уже сжимающий каскад класса AB. Графически этот процесс показан на рисунке 4. Каскад класса C мы будем называть «пиковым усилителем».

Самое интересное заключается в методах, используемых для подходящего разделения входного сигнала, а также в том, как объединить выходные сигналы от усилителя несущей и пикового усилителя так, чтобы каскады работали без нежелательной нагрузки друг на друга. Другими словами, мы не хотим, чтобы пиковый усилитель нагружал усилитель несущей. Точно так же, когда усилитель несущей насыщен, мы не хотим, чтобы он нагружал пиковый усилитель.

Теперь мы подошли к архитектуре усилителя Догерти (рисунок 5).

Двигаясь слева направо на рисунке 5, квадратурный мост создает два выходных сигнала, которые не совпадают друг с другом по фазе на 90 градусов, точно так же, как в обычном «балансном» усилителе, знакомом инженерам СВЧ. Разделение на 90 градусов необходимо, потому что для выходного сигнала пикового усилителя требуется задержка на 90 градусов по отношению к усилителю несущей, чтобы совпадать с выходным сигналом усилителя несущей, который подвергается задержке на 90 градусов в ¼-волновом инверторе сопротивления.

Затем идут модули усилителя несущей и пикового усилителя, которые обеспечивают усиление. Выходной сигнал усилителя несущей проходит через ¼-волновую линию и соединяется с выходом пикового усилителя и трансформатором импеданса.

Теперь представлены все блоки схемы Догерти. Прежде чем построить полную модель, давайте рассмотрим некоторые детали каждого из пассивных блоков.

Входные фазировка и деление мощности

В моделировании делитель мощности на квадратурном мосте реализован с помощью дискретных компонентов, расположенных, как показано на рисунке 6.

На частоте 500 МГц (рабочая частота нашего усилителя) значения индуктивностей составляют 11,14 нГн и 15,92 нГн для ветвей 35 и 50 Ом соответственно. Конденсатор принимает значение 15,46 пФ.

Плечо моста с углом 0 градусов (показанное как -90 градусов на рисунке 5) подключено к усилителю несущей, а плечо с углом 90 градусов (показано как -180° на рисунке 5) идет к входу пикового усилителя. Это обеспечивает правильную фазировку, чтобы схема объединения выходных сигналов правильно выполняла свою работу.

Здесь необходимо сказать несколько слов об определении входной мощности, используемой при анализе усилителя Догерти. Поскольку мост выполняет деление мощности на 3 дБ (половина мощности на плечо 0° (-90°), и половина на плечо 90° (-180°)), это означает, что деление напряжения составляет \(1/\sqrt{2}\), или 0,71. Источники напряжения определяются их пиковым синусоидальным значением V_ист, поэтому доступная мощность перед мостом составляет \(V_{ист}^{2}/(2 \times 4 \times 50) = V_{ист}^{2}/400\). Первый коэффициент ½ возникает из-за усреднения по времени квадрата напряжения, а коэффициент ¼ возникает из-за влияния делителя напряжения, подключенного к источнику сопротивлением 50 Ом. На рисунке 7 показано влияние моста на напряжения, подаваемые на входы усилителя несущей и пикового усилителя.

Коэффициент отражения от усилителя несущей равен \(\Gamma_{нес}\), а коэффициент отражения от пикового усилителя обозначается \(\Gamma_{пик}\). Использование квадратурного моста способствует согласованию по входу путем направления значительной части любой возможной отраженной от усилителей мощности на резистивную нагрузку изолированного порта, а не обратно в источник возбуждения. Фактически, если коэффициенты отражения усилителя несущей и пикового усилителя почти равны, входной источник будет видеть почти согласованную нагрузку. Более того, отражения от входа одного усилителя не влияют на другой усилитель из-за изоляции, обеспечиваемой мостом (до тех пор, пока источник, подключенный к РЧ входу, согласован с сопротивлением 50 Ом). Это общая черта всех «симметричных» входных архитектур. Мы можем сравнить коэффициент отражения по входу усилителя Догерти из примера с коэффициентом отражения по входу отдельного каскада класса AB (рисунок 8).

Величина коэффициента отражения для усилителя класса AB резко меняется в зависимости от входной мощности, в то время как усилитель Догерти показывает значительно меньшее изменение. Более того, коэффициент отражения на входе усилителя Догерти заметно меньше, чем у усилителя класса AB, что указывает на лучшее согласование по входу во всем диапазоне уровней входного сигнала.

Выходные фазировка и сложение мощностей

Основной принцип объединения выходных сигналов усилителей заключается в использовании инвертора импеданса, который связывает усилитель несущей с выходом пикового усилителя и трансформатором импеданса на выходе. Инвертор импеданса выполняет функцию ¼-волновой линии передачи. Инвертор импеданса не будет выполнять преобразование импеданса, если он ограничен своим характеристическим сопротивлением. В противном случае он преобразует низкий импеданс на одном конце в высокий импеданс на другом (и наоборот). В нашем моделировании линия передачи 50 Ом на рисунке 5 будет заменена эквивалентом на сосредоточенных элементах: П-цепью, показанной на рисунке 9.

В соответствии с «дополняющим» действием пикового усилителя, когда усилитель Догерти работает с низким уровнем входного сигнала, пиковый усилитель в основном неактивен и выглядит почти как разрыв цепи. Трансформатор сопротивления преобразует нагрузку 50 Ом в нагрузку 25 Ом на входе. Инвертор импеданса, в свою очередь, увеличивает импеданс на выходе усилителя несущей почти до 100 Ом. По мере увеличения уровня возбуждения усилителя Догерти пиковый усилитель начинает проводить ток всё больше и больше, подавая этот ток в выходную цепь. На выходе усилителя несущей из-за фазового соотношения с выходом пикового усилителя и задержки в 90 градусов, создаваемой инвертором импеданса, сопротивление нагрузки падает при увеличении входной РЧ мощности. Этот эффект «модуляции импеданса» позволяет выходному напряжению усилителя несущей оставаться близким к напряжению шины питания в широком диапазоне уровней входного сигнала. Нагрузочная прямая усилителя несущей динамически изменяется в соответствии с уровнем входного сигнала. Другими словами, пиковый усилитель обеспечивает форму согласования активной нагрузки [4] усилителя несущей (говоря об этом явлении модуляции импеданса в более современных терминах). Это является ключевым фактором к высокой эффективности усилителя Догерти. Кроме того, по мере насыщения усилителя несущей его выходной импеданс падает, поскольку коллекторы транзисторов больше не выглядят как источник тока, а выглядят теперь как источник напряжения. Инвертор импеданса преобразует выходной импеданс усилителя несущей до высокого значения, позволяя коллекторам транзисторов пикового усилителя эффективно выдавать мощность в нагрузку, действуя как источники тока. Другими словами, инвертор импеданса преобразует насыщенный усилитель несущей (теперь он выглядит как источник напряжения) в источник тока. Пиковый усилитель и усилитель несущей действуют как два параллельных источника тока, обеспечивающих питание выходной цепи. Выходная схема выглядит простой, но в ней имеет место сложный физический процесс.

Полная модель

На рисунке 5 показаны полосовые фильтры, расположенные после усилителей, но перед выходной цепью. Они служат для уменьшения содержания гармоник, которые могут нарушить правильное функционирование схемы. Эти полосовые фильтры традиционно являются LC контурами в выходных схемах усилителя несущей и пикового усилителя. Нагрузка 50 Ом на выходе преобразуется в требуемые 25 Ом с помощью L-образной согласующей LC-цепи. Полная модель усилителя Догерти 500 МГц показана на рисунке 10. Обратите внимание, что эта схема «сконструирована» так, чтобы подчеркнуть в учебных целях работу отдельных каскадов. Реальный усилитель будет комбинировать использование компонентов для уменьшения их количества.

Результаты

На рисунке 11 показано смоделированное изменение выходного напряжения (на нагрузке) в зависимости от времени при увеличении входного напряжения усилителя Догерти.

Если мы вспомним поведение усилителя класса AB, описанное ранее, то вспомним, что он уходил в «компрессию», когда напряжение источника превышало 1 В. Поскольку для деления входной мощности и распределения ее между усилителем несущей и пиковым усилителем мы используем здесь квадратурный трехдецибельный мост, напряжение около 1,41 В на входе Догерти приведет к компрессии усилителя несущей. Именно в этот момент пиковый усилитель начинает повышать выходной уровень. Небольшое искажение проявляется в неравномерном интервале уровней сигнала между кривыми на более высоких уровнях возбуждения. Однако формы сигналов выглядят намного чище, а компрессия «мягче», чем у выходных сигналов класса AB, показанных ранее. Дальнейшее сравнение производительности можно провести, наблюдая за графиками мощности и КПД, приведенными ниже.

Синяя кривая показывает выходную мощность усилителя несущей (работающего отдельно) при увеличении доступной (падающей) входной мощности усилителя. Характерный спад из-за компрессии становится очевидным в усилителе несущей, когда падающая входная мощность увеличивается выше 5 мВт. Красная кривая (выходная мощность усилителя Догерти) продолжает расти с падающей входной мощностью по мере увеличения выходной мощности пикового усилителя.

Особый интерес представляет КПД усилителя Догерти (розовая кривая). При входной мощности 2,5 мВт (выходная мощность: 200 мВт) КПД в данном конкретном случае уже превышает 50%. Когда усилитель Догерти выдает 1200 мВт (максимальная мощность, показанная здесь), усилитель несущей больше не может работать в классе AB, он больше похож на усилитель класса D (транзисторы «полностью открыты» или «полностью закрыты»). Вот почему КПД усилителя несущей (черная кривая) превышает теоретический предел класса AB в 78%. Усилитель несущей будет сильно ограничивать выходной сигнал, если он будет работать независимо от пикового усилителя.

Обеспечение аналогичного запаса по мощности в усилителе класса AB означало бы, что усилитель большую часть времени будет работать с КПД около 10-15%. Этот факт подтверждается наблюдением зависимости КПД от нормализованной выходной мощности на рисунке 13. Использование усилителя класса AB было бы неприемлемо с точки зрения энергоэффективности и потребовало бы чрезмерного усложнения усилителя только для того, чтобы учесть запас, необходимый для требования к пиковой мощности.

Компрессия амплитуды важна, но представляет собой лишь часть сложного поведения усилителей мощности. Усилитель класса AB и усилитель Догерти также демонстрируют фазовые искажения, зависящие от мощности. Это так называемое искажение AM-PM (амплитудная модуляция в фазовую модуляцию). На рисунке 14 показано изменение фазовой задержки усилителя для усилителей класса AB и Догерти.

Фазовая задержка для усилителя класса AB внезапно сдвигается, когда мощность входного сигнала поднимается выше малого уровня сигнала (1-2 мВт), и остается постоянной, даже когда усилитель переходит в режим компрессии. Результаты усилителя Догерти, напротив, показывают более постепенное изменение при низких мощностях, но затем выравниваются при входной мощности выше 5 мВт.

Фазовые искажения важно учитывать, потому что многие современные схемы модуляции требуют хорошей точности фазы для максимизирования возможностей передачи данных по каналу связи. Эффективность относительно фазы будет во многом зависеть от реализации, и полное описание этой темы выходит за рамки данной вводной статьи. Читатель может обратиться к подробным статьям (например, [5]) по методам исправления фазовых ошибок усилителя.

Заключение

Усилитель Догерти – идеальный кандидат для максимизации эффективности усилителя мощности при одновременном сохранении линейности усилителя (точного воспроизведения сигнала) для сигналов с высоким отношением пиковой мощности к средней. Если схема модуляции основана на некоторой форме мультиплексирования с частотным разделением или на амплитудной модуляции, то схему Догерти можно рассмотреть для использования в усилителе мощности. Если ваше приложение использует схемы модуляции постоянной несущей (FM, FSK, PSK и т.д.), то усилитель Догерти вам не подходит. В этом случае может оказаться подходящей схема класса C или одна из схем импульсных усилителей. Подведем итоги в виде плюсов и минусов усилителя Догерти.

Достоинства:

• хороший способ повысить эффективность усилителя при одновременном достижении хорошего качества сигнала;
• снижает интермодуляционные искажения в сигналах с высоким отношением пиковой мощности к средней, по сравнению с классом AB, работающим вблизи точки компрессии;
• может использоваться как в усилителях малой мощности (портативные), так и в усилителях большой мощности (например, вещательные);
• предоставляет множество способов оптимизации для различных приложений (смещение, фазировка);
• симметричная входная цепь снижает изменение и величину обратных потерь в рабочем диапазоне мощности.

Недостатки:

• повышенная сложность схемы по сравнению с классической схемой усилителя класса AB;
• сложно подстроить все параметры, чтобы найти лучшую рабочую точку;
• паразитные элементы усложняют конструкцию реального усилителя;
• уровни входного сигнала изменяют рабочие характеристики (это верно и для других типов усилителей больших сигналов);
• коэффициент усиления усилителя Догерти ниже (часто примерно на 3 дБ ниже), чем у соответствующего усилителя класса AB, из-за деления мощности на входе, необходимого для усилителя несущей и пикового усилителя.

Ссылки

Усилители классов AB и C

[1] B. Slade, “Amplifier Alphabet Soup: Part I, Basics of Class A, AB, B and C amplifiers,” RF Globalnet, Feb. 2011.

Моделирование

Все моделирования в данной статье были выполнены с использованием моделей NGSpice [2]. Читатель может посетить следующие сайты для получения дополнительной информации об этих пакетах.

[2] http://ngspice.sourceforge.net/

Общие сведения

Читатель, желающий более глубоко разобраться в теме усилителей мощности ВЧ и СВЧ, может ознакомиться с некоторыми работами, использованными при подготовке данной статьи.

[3] W. H. Doherty, “A new high-efficiency power amplifier for modulated waves,” Bell Telephone Laboratories monograph B-931, May 1936.

[4] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, Artech House, 1999.

[5] M. Elmala, J. Paramesh and K. Soumyanath, “A 90-nm CMOS Doherty power amplifier with minimum AM-PM distortion,” IEEE Trans. Solid State Circ., vol. 41, no. 6, June 2006.

Теги