автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы проектирования усилителей мощности класса E в радиоустройствах на основе МОП-транзистора

На правах рукописи

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА Е В РАДИОУСТРОЙСТВАХ НА ОСНОВЕ МОП-ТРАНЗИСТОРА

Специальность: 05.12.04 - «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 3 МАЙ 2013

005060090

Воронеж —2013

005060090

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор, Муратов Александр Васильевич

Оппоненты:

доктор технических наук, профессор Толстых Николай Николаевич, ОАО «Концерн «Созвездие»», г. Воронеж

кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехники, Воробьева Елена Ивановна, «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», г. Воронеж

Защита состоится «13» июня 2013 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.037.10, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университета, по адресу 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «08» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Макаров Олег Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время усилители мощности сигналов широко используются в радионавигационных, радиолокационных, телевизионных, мультимедийных и связных системах, системах радиоуправления, системах радиоэлектронной борьбы, а также в других радиотехнических системах и средствах специального назначения. В радиотехнических устройствах все чаще находят применение технологии, условно называемые технологиями класса Е. Усилители мощности класса Е имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными усилителями классов А, В, С, D, F. Отличительная особенность их заключается в том, что транзистор в усилителе класса Е одновременно выполняет как функцию ключа, так и функцию части цепи нагрузки для гармонических колебаний напряжения и тока. За счёт этого сочетания достигается значительно более высокая эффективность устройств класса Е. В них реализуется противофазное изменение напряжения и тока, что приводит к расширению возможностей усилительных устройств. Наряду с возможностью защиты усилителей от бросков высокого напряжения и тока появляется возможность минимизировать в них общие потери мощности, особенно во время переходных процессов.

Теория и техника усилителей класса Е исследовались N.O. Sokal and Alan D. Sokal, M.Y. Thanoun, C.T. Boon, F.H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, Pü. Kenington, Z.B. Popovich, N. Pothecary, J.F. Sevic, M.K. Kazimierczuk and Jacek Jozwik, P. Reyneart, M. Steyaert, Барановым A.B, Крыжановским В.Г. и другими учеными. Вместе с тем, особенности применения различных типов полевых транзисторов в устройствах рассматриваемого вида требуют более детального исследования. Это связано с тем, что устройства класса Е имеют реактивную нагрузку, и технология выполнения транзистора имеет важное значение (межэлектродные емкости значительно влияют на реактивное сопротивление цепи нагрузки), поэтому целесообразно использовать полевые транзисторы, имеющие более высокую граничную частоту.

Исследования в этом направлении являются актуальными. Анализ литературных источников позволил выявить, что существующие методы проектирования усилителей направлены в основном на модернизацию известных устройств на основе новой электронной компонентной базы. Однако в настоящее время затруднено проектирование усилителей мощности класса Е на базе МОП-транзистора из-за ограниченности применения последних в высокочастотном диапазоне.

Для устранения данного недостатка необходимо провести исследования по обоснованию методов построения электронных устройств на основе усилителей мощности класса Е, базирующихся на МОП-транзисторе.

В работе рассматриваются перспективные транзисторы указанного класса, исследуются особенности их применения с учетом реактивных свойств цепи в усилителях мощности класса Е. Учет этих особенностей показывает, что

их целесообразно использовать при разработке усилителей мощности, в том числе и высокочастотных.

Таким образом, задача разработки методов проектирования усилителей класса Е, пригодных к применению на высоких частотах, на новой элементной базе является актуальной. Одновременно с этим возникает необходимость исследования и совершенствования существующих методов проектирования устройств, базирующихся на основе технологий класса Е. Анализ методов проектирования показал также целесообразность уточнения аналитического описания процесса линейного усиления сигнала с целью обоснованного выбора оптимальных параметров элементов принципиальной схемы и оптимального режима работы МОП-транзистора. Перспективным направлением повышения качества технологии проектирования усилителей класса Е является сочетание возможностей современных моделирующих программ с аналитическими методами расчета. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает сокращение времени их разработки, а с другой стороны, позволяет рассчитывать параметры усилителей мощности в условиях функционирования при заданной частоте с Требуемой мощностью. В связи с вышеизложенным, тема диссертации является актуальной.

Диссертация посвящена решению актуальных задач повышения качества проектирования усилителей мощности класса Е; выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства системы передачи, приема обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем».

Целью работы является повышение эффективности методов проектирования усилителей мощности класса Е с использованием МОП-транзисторов на основе разработки модели усилителя и методов оценки характеристик его функционирования для различных режимов работы.

Для достижения цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Разработать схемное решения усилителя мощности класса Е на основе МОП - транзистора и исследовать особености разработанного схемного решения.

2. Исследовать существующие и разработать новые аналитические модели оценки характеристик качества и параметров усилителя мощности класса Е с использованием МОП-транзистора.

3. Разработать методику проектирования усилителей класса Е на базе МОП-транзистора при различных режимах работы, учитывающую особенности функционирования устройств класса Е.

4. Получить результаты сравнительной оценки характеристик и параметров усилителей на основе МОП-транзистора методами моделирования и натурного эксперимента с целью оценки качества предложенной методики проектирования.

Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании основных положений и методов теорий: электрорадиоцепей, аналоговой схемотехники, электроники, усилительных устройств СВЧ. Использованы современные методы проектирования радиоэлектронной аппаратуры и методы моделирования сложных электрических цепей. Для оценки достоверности полученных результатов использован метод натурного моделирования усилителя мощности класса Е.

Научная новизна. В работе получены следующие теоретические результаты, отличающиеся научной новизной.

1. Новые уточненные аналитические модели оценки основных параметров и характеристик усилителя мощности класса Е на основе МОП-транзистора, в отличие от известных, учитывающие влияние сосредоточенных и распределенных элементов схемы на важнейшие показатели качества усилителя (КПД, линейность усиления, выходная мощность, динамический и частотный диапазон, спектр).

2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е, отличающаяся от известных применением комплексного подхода к проектированию: сочетание метода аналитического расчета усилителя с требуемыми параметрами, и метода имитационного моделирования элементов усилителя и устройства в целом (с помощью современных моделирующих программ) для повышения качества моделирования.

3. Схемное решение усилителя мощности класса Е: применение МОП-транзистора и дополнительных компенсирующих индуктивностей, которые позволяют увеличить КПД и улучшить спектральные характеристики выходного сигнала за счет нейтрализации реактивных свойств усилителя.

4. Методика комплексного исследования для анализа влияния режимов работы и параметров схемы усилителя на качество усилителя класса Е и новые результаты исследований по методике, полученные путем аналитического расчета, имитационного моделирования и натурного эксперимента.

Достоверность научны» результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждена сходимостью оценочных значений характеристик качества устройств класса Е, полученных методами натурного эксперимента, моделирования с помощью программ Simetrix, Micro Сар и путем аналитического расчета. Подтверждена корректность методики проектирования устройств на основе сочетания методов моделирования и аналитического расчета.

Практическая значимость. Использование разработанных методов проектирования и исследования усилителей мощности класса Е позволяет сократить временные затраты на проектирование, повысить точность моделирования усилителей с заданными техническими характеристиками, а также автоматизировать процесс проектирования устройств класса Е.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации внедрены в виде методики и схемных

з

решений в ОКР ОАО «Концерн «Созвездие», в виде программ автоматизированного комплекса конструкторского проектирования базовых элементов в ОАО «НИИЭТ» и в виде учебно-методических материалов на кафедре «Радиотехника» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Акты внедрения прилагаются.

На защиту выносятся:

1. Аналитическая модель оценки параметров усилителя мощности Е класса с использованием МОП - транзистора.

2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е на основе сочетания методов аналитического расчета и моделирования (для повышения точности проектирования).

3. Количественные оценки улучшения характеристик усилителей мощности класса Е за счет изменений в схемном решении.

4. Расчетные и экпериментальные результаты исследования режимов усиления и номиналов элементов на активную и реактивную составляющие выходной мощности, КПД, линейность усиления, динамический диапазон и частотные характеристики усилителя мощности класса Е.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на отчетных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского института высоких технологий (Воронеж, 2009, 2010), VIII международном семинаре, посвященном 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Воронеж, 2011), Всероссийской конференции по интеллектуальным информационным системам (Воронеж, 2011), XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 - в изданиях, рекомендованных ВАК. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в автореферате, лично соискателю принадлежат: методика проектирования усилителя мощности класса Е [1, 3, 4, 11]; анализ режимов и схем усилителей мощности [2, 5]; обоснование предложений по повышению эффективности проектирования усилителей мощности класса Е с помощью моделирующих программ [6, 8, 9]; исследование и совершенствование принципов работы усилителей [4, 7,10].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 183 наименований и приложения. Работа изложена на 148 страницах, содержит 59 рисунков и 5 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, выносимые на защиту научные положения и результаты.

В первой главе содержатся результаты анализа существующих методов проектирования усилителей различных классов с точки зрения показателей ка-

чества (выходная мощность, КПД (коэффициент полезного действия), линейность усиления). Из усилителей с активной нагрузкой наибольший КПД достигается в усилителях мощности классов В и С. Он может достигать в ряде случаев величины 65-85% (соответственно, потери мощности составляют 35-15%). Показано, что в оконечном усилителе класса Е на полевом транзисторе также можно примерно в 2,5 раза снизить потери энергии в цепи стока транзистора.

Показано, что для эффективного проектирования усилителей Е класса целесообразно применять аналитические модели. Воздействия компонент (составных частей принципиальной схемы) в части их влияния на частотные характеристики усилителя исследуются в известной литературе. Коррекция частотных характеристик и КПД при этом может быть выполнена с помощью метода последовательных приближений при изменении значений параметров схемы. Идеально настроенный усилитель класса Е является одним из эффективных вариантов усилителей мощности, поскольку он теоретически обеспечивает стопроцентную эффективность преобразования мощности, потребляемой от источника питания в мощность колебаний высокой частоты.

Электрическая схема усилителя класса Е (рис. 1) на основе МОП-транзистора может работать либо в режиме ключа, либо в режиме усиления колебаний, которые снимаются с пассивной нагрузочной цепи. Коэффициент полезного действия идеального усилителя будет стопроцентным, если параметры цепи выбираются таким образом, чтобы напряжение на стоке было нулевым в момент включения транзистора. Для оптимизации проектируемого усилителя необходимо, чтобы напряжение на выходе транзистора приближалось к нулю при открывании транзистора. Мощность, рассеиваемая на стоке транзистора минимальна по той причине, что при приближении к нулю напряжения ток максимален и наоборот. Возможность использования в цепи усиления междуэлектродной емкости, присущей транзистору, как части нагрузки цепи, делает усилитель класса Е привлекательным для использования в усилителях мощности очень высокой частоты (VHF - ОВЧ, в диапазоне 30-300 МГц) и сверх высокой частоты (UHF - СВЧ, в диапазоне 300-3000 МГц).

где: v(9) - входное напряжение, vo(0) - выходное напряжение, RFC - радиочастотная индуктивность, Vi - напряжение постоянного источника, с -параллельная емкость.

I

1VI

Рис. 1. Электрическая схема усилителя класса Е

В схеме (рис. 1) предложен новый высокочастотный вариант построения усилителя мощности класса Е. Основными его отличительными особенностями являются:

- взаимная компенсация индуктивных и емкостных реактивных элементов схемы;

- включение элемента отрицательной обратной связи С.

Использование полевого транзистора вместо биполярного требует существенного изменения методики проектирования усилителей. Замена нелинейного элемента схемы потребовала учета влияния междуэлектродных емкостей на такие показатели, как частотный диапазон линейного усиления сигналов, уровень выходной мощности и т.д. Включение дополнительной емкости С обеспечивает отрицательную обратную связь выхода на вход МОП-транзистора, что позволяет улучшить динамический диапазон усилителя, повысить его устойчивость и несколько скорректировать частотную характеристику. Введение дополнительной емкости позволяет также компенсировать влияние паразитной индуктивности схемы.

В совокупности, предложенные новые технические решения позволяют расширить частотный диапазон линейного усиления и увеличить выходную мощность устройства. Для проектирования усилителей класса Е с МОП-транзистором необходимо разработать соответствующие аналитические модели схемных параметров и характеристик усилителя и методику разработки. Это объясняется, в первую очередь, влиянием междуэлектродных емкостей на частотные характеристики усилителя.

Настроенная последовательная выходная цепь имеет высокий импеданс на частоте несущей гармоники, следовательно, гармонический ток небольшой по величине и вносит небольшой вклад в усиление входной или выходной мощности. Если величины элементов цепи или режим нагрузки отклоняются от расчетных значений, (например, параллельный (шунтирующий) конденсатор может содержать ненулевой электрический заряд на момент включения), то результат рассеяния энергии сохраняется в Со, и, следовательно, эффективность снижается. Однако даже при условиях идеальной настройки имеет место потеря мощности за счет влияния следующих факторов: напряжения насыщения, сопротивления насыщения, ненулевого времени переключения и выходной индуктивности, связанных с реальными активными устройствами. Работа отличается от предшествующих работ тем, что обоснованы средства и способы для количественного определения потерь. Следовательно, обосновано более точное проектирование и расчет цепи усилителя и учтены термопотери. Другие потери, возникающие из-за последовательного соединения сопротивления в Ьо, Со, С и вычисленные аналогичными радиочастотными методами, в данной работе не обсуждаются. Представленный ниже материал исследования наглядно показывает невозможность повышения эффективности проектирования без использования систем автоматизированного проектирования.

Таким образом, использование существующих аналитических методов проектирования усилителей пригодно и для устройств класса Е, при этом требуется учитывать новые характерные их особенности (реактивную нагрузку).

В связи с этим возникает необходимость совершенствования методов расчета усилителей класса Е в направлении повышения достоверности результатов проектирования. Необходимо также с помощью методов моделирования определить параметры разрабатываемого устройства и повысить эффективность методов проектирования усилителя мощности с использованием МОП -транзистора.

Вторая глава посвящена детальному изложению аналитического метода расчета указанных ранее характеристик качества усилителей класса Е. При этом впервые учитываются как влияние междуэлектродных емкостей МОП -транзистора на показатели качества, так и взаимные влияния характеристик компонентов схемы.

Исходя из того, что основными характеристиками качества усилителя являются линейность амплитудной характеристики, КПД, выходная мощность, коэффициент усиления сигнала по мощности, то между ними существует некоторая взаимосвязь (к примеру, повышение линейности усилителя ведет к понижению его КПД и т. д.). Учет этого фактора позволяет создавать устройство в соответствии с особенностями его применения (например, усилитель с высокой выходной мощностью используется в передатчике радиостанции, в то время как линейный усилитель используется в ее приемнике). Оптимизационная задача является многокритериальной. В качестве основного критерия выбран КПД усилителя. Он определяет очевидное преимущество устройств класса Е перед всеми известными. Линейный усилитель описывается соотношением:

где У„ и Год — входной и выходной сигналы в зависимости от времени, соответственно; А — постоянная, характеризующая коэффициент усиления.

С увеличением отношения У„ к Увых, т. е. при увеличении энергии сигнала Уа, усилитель создает нелинейные искажения. Для идеального усилителя класса Е КПД равен единице и определяется следующим образом: КПД = мощность выходного сигнала/мощность источника постоянного тока.

Ввиду этого, в идеальном усилителе класса Е выходная мощность Р«* равна входной мощности источника постоянного тока Рос. В этом случае в усилителе отсутствуют потери энергии. В реальных усилителях мощности это реализовать невозможно, особенно если речь идет о высокочастотных цепях. Во многих высокочастотных системах происходят большие потери в предоконеч-ном и выходном каскадах в ходе усилительного процесса.

Во второй главе также проведен математический анализ усилителя класса Е на основе современного МОП - транзистора (типа ШР530) с целью обеспечения возможности разработки высококачественного усилителя мощности класса Е (рис. 2).

лах:

жим).

Анализ этого вида усилителей мощности основан на следующих прави-1. Определение устойчивого состояния усилителя (установившийся ре-

Ч с, Ц Ц

4))Л т|Г Q<!tM

С,

1 7пР

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема усилителя мощности класса Е (итоговый вариант)

2. Разделение времени на периоды. Период разделяется на время работы: О <0 <я , (1)

и время простоя:

я <в< 2ж , (2)

где 9 выражает угол отсечки, который равен: 0 = cot, а со выражает угловую частоту, со = 2 7tf, где f- рабочая частота.

Максимальная выходная частота соответствовать условию: _ 0.1836

•/пш 2лЛ,Ст ' W

Стш=С0 + С, , (4)

где Со - выходная емкость транзистора, С/ - наименее возможная величина шунтирующей емкости, добавляемая для обеспечения работы усилителя мощности с требуемой частотой.

Цепь согласования входа усилителя мощности класса Е представлена на

рис.3

Вычисление величины реактивного сопротивления входа транзистора определяется следующим образом:

U Tptmmpiul мод

Arv-Л

с.1 ° ill_j_

-' еог»роттл#*»<»

Рис. 3. Цепь согласования входа усилителя мощности класса Е

Вычисление величины индуктивности (Ь8), добавленной на входе определяется следующим образом:

Хс = Хч. (6)

Выражение можно переписать так:

ь-ък; ■ (7)

Значение аддитивного емкостного сопротивления определяется выражением: С, =С-С„. (8)

Величина С вычисляется согласно следующему выражению: с = М83б

Значение дополнительной индуктивности Ьх может быть найдено через значение индуктивного сопротивления Хь

Х1 = 1.152^ , (10)

^ = (И)

Следующие уравнения показывают, как вычислить Ь2, С2 на основе добротности (Оь), частоты (0 и сопротивления нагрузки.

С2 =-■-. (12)

(13)

Соотношение между полной ёмкостью С и добротностью, а также между частотой и значением сопротивления нагрузки определяется как:

С =-?-Г0.99866+МН2£_1^1751 (14)

34.22& 01 )

Максимальная выходная мощность усилителя, которая может быть получена для этой нагрузки, находится из следующего уравнения:

Рш= 0.5768^. (15)

Вычисление значений (Хи) и (Хд) осуществляется следующим образом:

(16)

V (17)

Вычислить каждое значение (Ь,) и (С,) на частоте 3 МГц можно следующим образом:

из уравнения:

Xu-2TtfL,,

jrc=-U

с 2 я/О i

Далее находим I, по формуле:

1

¿с =

4 ягГСл

(18)

(19)

(20) (21)

Следующие два уравнения подтверждают реальное значение, что значение параллельно подключённой ёмкости Q равно:

„ 0.1836

Cl = W • (22>

Следующее уравнение позволяет найти значение дополнительной индуктивности (L,):

_Xt _ 1.152Д£

' 2 24 ■ <23>

Значение L, можно вычислить с помощью следующего отношения:

L,=20xL2 . (24)

Цепь согласования выхода усилителя мощности класса Е представлена на рис. 4.

2

Из уравнения: tanp =--(25)

jc + 2 ¿DCR^

можно вычислить рабочее сопротивление R«, при значении фазы <р =-32,636'.

А

Vm =

—Tsin2p+4sin?>cos<!>+—+2eoCR0„sm1 q>\. яоС\_ 2 J

(26)

;rsin2 <p+4sia<pcosp+—+2wCRON

ТрапэнеторныЯ пых о л

Рис. 4. Цепь согласования выхода усилителя мощности класса Е

Vn„ =

2 я-шС

2aCROK cos <p - 3coCRos я sin <p -—sm<p -2sm<p - rr cos q>

(27)

2aCRos<xiS(p-'icûCRollns\s4p——smp-2sinp-;rcos<!>

Из уравнения PM=--RLI¡ = " 00 • определяем выходную мощность. 2 y

Р 1 ГГ /У

Из уравнения rjD =-=*- = —'—— = 1.862— (28)

PDC sin?) Y Y

определяем КПД.

Расчетные величины параметров для транзистора IRF530 с паразитной емкостью Ст=800пФ на выходной частоте f=3MTu сведены в табл. 1:

Табл.1

Параметр Обозначение Расчетная формула Значение параметра

Выходная мощность Pout у2 Р„, -0.5768 DD (Rl-24 0M) rI 13.84 Вт

Реактивное сопротивление индуктивности Xu 11.62 0м

Реактивное сопротивление емкости Хс, y _ rL 31 Ом

° в л| —-1 VK'i

Индуктивность L, L,=Xu/2itf 0.61мкГн

Емкость с, C,=l/2jtfXc 1.7нФ

Входное реактивное сопротивление емкости Хс xc= 1 2 я/Ц» бб.ЗОм

Добавленная индуктивность на входе транзистора Ls 3.47 мкГн

Параллельная емкость Ci c _ 0.1836 379пФ

Добавленое индуктивности на выходе Lx L _Xl_\.\S2Rl x 2?f 0.9 мкГн

Выходная мощность Pout y 2 PM = 0.5768—(Rl=15 OM) rL 22.15 Вт

Коэффициент a Формула 26 0.57

Коэффициент У Формула 27 1.1

КПД ID r,D=P~=- 1 • « 1.862° Рос s,n Ч> Y Y 96.55%

На рис. 5 показана зависимость КПД от добротности Ql для различных частот. На рис. 6 показана зависимость КПД от параметра D (рабочий цикл) на частоте 3 МГц и оптимальное значение D.

Зависимости получены программными средствами имитационного моделирования SIMETRIX, из рисунка следует, что максимальная эффективность может быть получена, когда значени^р равно 0.5.

и

Изменение значения О приводит к изменению значения внутренней ёмкости транзистора С0, что видно из следующего отношения:

Рис. 5. Влияние добротности на эффективность цепи стока на различных

частотах

И^О + со^лО))"

1 + -

(29)

где С^ - емкость между электродами сток-исток транзистора. С8с| - емкость между электродами сток-база транзистора.

Необходимо отметить, что любое увеличение или уменьшение значения С0 будет приводить к увеличению мощности рассеяния / д или уменьшения выходной мощности Рш. В обоих случаях это приводит к снижению КПД, согласно следующему уравнению:

70=—V- (3°)

1 + -

Р-

.ЖЕ

100%

(31)

При п=2,3,4,

где У„ обозначает значение напряжения гармоник за исключением основной гармоники; V, обозначает значение напряжения основной гармоники.

Рис. 6. Влияние параметра Э на эффективность стока (для нескольких значений добротности Оц)

На рис. 7 приведена взаимосвязь добротности и параметра искажения формы сигнала Е^ на частоте 3 МГц. Из анализа графика следует, что увеличение добротности приводит к снижению значения параметра искажения, а это означает сокращение количества уровней гармоник вне основной мощности, что улучшает функциональную совместимость схемы.

Рис. 7. Зависимость добротности О,, от коэффициента искажений (Е)р)

Представленные аналитические модели расчета усилителя отличаются от известных учетом влияния междуэлектродных емкостей, паразитной индуктивности, сопротивления по постоянному току. Впервые исследовано влияние этих параметров на выходную мощность, КПД и частотные характеристики усилителя.

Таким образом, среди импульсных усилителей мощности класс Е является оптимальным вариантом в отношении простоты и показателя высокой эффективности. Следовательно, типичный усилитель мощности класса Е должен состоять из переключательного транзистора М1 и пассивной схемы Ы, С1, Ь2, С2. Все перечисленные особенности устройств класса Е исследованы с использованием различных моделирующих программ, а их результаты приведены в главе 3. Предложено эффективное сочетание аналитических и программных методов проектирования усилителей.

Третья глава посвящена разработке методики проектирования усилителей мощности класса Е на основе комплексного применения аналитических методов с использованием различных моделирующих программ таких, как 81МЕТЯ1Х, МюгоСар, РЗрюе для уточнения расчетных формул реализации аналитических методов (с целью определения параметров элементов во взаимодействии друг с другом). Методика проектирования усилителя класса Е включает следующие основные этапы:

1. Выбор схемы и подготовка исходных данных для расчета (5-7, 15-17,20-23,26-28).

2. Расчет основных схемных параметров устройства по формулам с учетом особенностей схемы на МОП-транзиторе (табл. 1).

3. Уточнение полученных расчетных результатов интерактивным методом с помощью моделирующих программ 51МЕТ1ИХ и МюгоСар.

Представлена обобщенная эквивалентная схема усилителя мощности на полевом транзисторе в нелинейном режиме Е в виде соединения активного

элемента и пассивной ЯЬС схемы. Отмечается, что передаточная функция ЫЬС схемы в целом нелинейная и комплексная, чем объясняются трудности синтеза и анализа усилителя. Рассмотрены основные факторы, влияющие на качество усилителя (добротность, коэффициент нелинейных искажений).

Предлагаемая методика синтеза усилителей с помощью уточняемых моделированием расчетных процедур позволяет выполнять оптимизацию схем по различным критериям: выходной мощности, линейности усиления, качеству спектрального состава выходного колебания.

Параметры электрической цепи в моделирующей программе 81МЕТШХ для частоты 3 МГц представлены в таблице, а сформированная в моделирующей программе БГМЕТЯГХ электрическая схема с добротностью равной 2 (табл.2) представлена на рис. 8.

Учитывая тот факт, что в моделирующей программе параметры подбираются исходя из опыта самого разработчика, необходимо автоматизировать этот этап разработки усилителей мощности за счет формирования процедур проектирования, учитывающих особенности и аналитические зависимости применительно к классу Е.

Табл. 2.

Оптимальные параметры электрической цепи в моделирующей программе 81МЕТШХ для частоты 3 МГц

Оь С3, пФ С2, пФ Ьг, мкГн Ьь мкГн КПД, %

2 507 1770 1.6 32 96.8

4 435 883 3.18 64 96.7

6 408 588 4.77 96 96.2

8 392 441 6.36 128 96.1

10 381 353 7.96 160 95.9

1_

' V»

-4

ь« -V а»

Г*"** »т-1

тъ** 41- С2

■ ■ • 12 • к* ' - 14 '

5 1_. 1 2i

1 'АЛ 3«

Т :

Рис.8. Электрическая схема усилителя мощности в программе БМЕТШХ

Предложенная методика проектирования устройства класса Е базируется на расчете основных характеристик устройств по формулам 1 - 29 с последующим уточнением полученных результатов в программной среде 81МЕТК1Х. Сочетание аналитического метода проектирования, описанного в главе 2, с ме-

тодами моделирования составляет сущность новой методики проектировании устройств класса Е.

Проведены исследования и оптимизация характеристик усилителей мощности на основе предлагаемой методики.

Таким образом, в предложенной методике проектирования впервые учтены следующие факторы, влияющие на качество усилителей класса Е:

- сосредоточенные и распределенные емкости и индуктивности конструкции и схемы;

- разброс параметров компонентов схемы;

- нелинейные искажения сигнала при усилении.

Четвертая глава посвящена практической реализации предложенных в 1-3 главах методов проектирования. Некоторые результаты в виде иллюстраций представлены на рис. 9-12. На рис. 9 приведена физическая модель разработанного по предложенной методике усилителя мощности класса Е, на рис. 10 показаны напряжение и ток на стоке цепи усилителя, полученные с помощью моделирования, в диссертации показаны полученные экспериментально напряжения и токи сигналов на стоке транзистора усилителя мощности класса Е, разработанного в ходе исследований. Наблюдается удовлетворительное для практики схождение результатов. Спектр выходного сигнала (рассчитанный по предложенной методике) показан на рис. 11, а), напряжение на нагрузке показано на рис.11, б), а практически полученные спектры выходных сигналов, представлены в диссертации. Максимальное напряжение стока и импульс тока для различных значений параллельной ёмкости: а) 100 пФ, б) 400 пФ, в) 600 пФ, г) 1 нФ, д) 5 нФ показаны на рис. 12.

Применение этой модели на практике показало, что реальный КПД усилителя мощности класса Е можно довести путем параметрической оптимизации до уровня 96,6%, тогда как в существующих схемных решениях и режимах работы этот показатель изменяется в пределах от 5% (линейный режим) до 78,5% (существенно нелинейный режим).

Рис. 9. Фотография практической цепи усилителя мощности класса Е

Предложенная методика отличается повышенной точностью, поскольку является комплексной и использует как аналитические расчеты параметров усилителя, так и проверку точности расчетов путем моделирования.

Рис. 10. Напряжение и ток, полученные с помощью моделирования

1 Ьн ¡=1

ч /-л '-Ч- \Г

а)

1 1 Г\ А А /ч / \

N / \ / N / N

\ , / \ > \ / \

\ / \ / \ ! \

*ш —

б)

Рис. 11. а) Спектр выходного сигнала, полученный в результате моделирования), б) временная диаграмма напряжения на нагрузке

том стока \/е - напряж*ми> аока

I

|||Щ|111||1Вт.

Рис. 12. Максимальное напряжение на стоке и импульс тока для различных значений парарельной ёмкости (СО: а) ЮОпФ, б) 400пФ, в) бООпФ г) 1нФ,

д) 5нФ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана новая аналитическая модель для анализа параметров усилителя мощности класса Е с на базе МОП-транзистора, отличающаяся тем, что позволяет реализовать процедуру параметрической оптимизации проектируемого устройства в целом. Применение этой модели на практике показало, что реальный КПД усилителя мощности класса Е можно довести путем параметрической оптимизации до уровня 96,6%, тогда как в существующих схемных решениях и режимах работы этот показатель изменяется в пределах от 5% (линейный режим) до 78, 5% (существенно нелинейный режим).

2. Предложена и апробирована методика проектирования усилителя мощности класса Е на основе МОП-технологии, отличающаяся повышенной точностью реализации заданных характеристик устройства. Качество методики подтверждено как аналитическими расчетами, так и путем схемотехнического моделирования с помощью современных прикладных программ и измерений характеристик усилителя.

3. Исследована перспективная схемотехника усилителей мощности класса Е с учетом взаимного влияния элементов схем на параметры качества устройства в целом. Предложены простые схемы коррекции характеристик усилителя (АЧХ, коэффициент усиления, КПД, устойчивость и др.), и исследована их эффективность путем моделирования, а также с помощью натурного эксперимента.

4. Получены новые результаты исследований параметров усилителей класса Е в виде зависимостей показателей эффективности от режимов работы и от значений параметров элементов схем. Проведен анализ влияния устойчивости и линейности усиления, времени переходных процессов, согласования входных и выходных сопротивлений на характеристики усилителя.

5. На основе анализа характеристик схем усилителей рассматриваемого класса сформулированы практические рекомендации по расчету и моделированию усилителей класса Е для работы в широкой полосе частот.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Шит А.Ф. Методика оценки влияния нагрузки и тракта на характеристики усилителя сверхширокополосных сигналов /А.Ф. Шит, A.B. Муратов, С.Н. Панычев //Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 5. С. 29-31.

2. Шит А.Ф. Анализ схем усилителей мощности класса Е /А.Ф. Шит //Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 2. С. 24-26.

3. Шит А.Ф. Экспериментальные результаты исследования усилителя мощности класса Е /А.Ф. Шит //Вестник Воронежского государственного технического университета. 2011. Т. 7. № 6. С. 49-55.

4. Шит А.Ф. Проектирование усилителя мощности класса Е / А.Ф. Шит // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т. 8. №2. С. 51-55.

5. Шит А.Ф. Математический и функциональный анализ работы усилителя мощности класса Е /А.Ф. Шит //Вестник Воронежского государственного технического университета. 2012. Т.8. № 2. С. 4-7.

Статьи и материалы конференций

6. Шит А.Ф. Analysis of applicable frequency range of class E power amplifier by using Simetrix program / А.ФШит //Вестник ВИВТ. Воронеж. 2010. №6.- С. 265-269.

7. Шит А.Ф. Analysis of class Е power amplifiers by using Micro-cap programm / А.Ф. Шит, B.B. Лавлинский //Моделирование систем и информационные технологии. Межвуз. сб. науч. тр. Вып.7. Воронеж: Научная книга, 2010 -С. 289-292.

8. Шит А.Ф. Analysis of class Е power amplifiers by using Simetrix programm / А.Ф. Шит //Моделирование систем и информационные технологии: межвуз. сб. науч. тр. Вып.7. Воронеж: Научная книга, 2010. С. 293-297.

9. Шит А.Ф. Принципы работы высокоэффективных усилителей мощности класса Е /А.Ф. Шит //Интеллектуальные информационные системы : труды Всерос. конф. Воронеж. 2011. С. 119-121.

10. Шит А.Ф. Моделирование усилителей мощности класса Е / А.Ф.Шит // Труды VIII Международного семинара. Воронеж. 2011. С. 91-96.

11. Шит А.Ф. Проектирование аппаратной реализации генератора состояния Е класса на основе пакета САПР Simetrix /А.Ф. Шит, В.В. Лавлинский // Радиолокация, навигация, связь (RLNS 2012): труды XVIII Междунар. науч,-техн. конф. Воронеж. 2012. Т. 2. - С. 1067-1074.

Подписано в печать 07.05.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет»

На правах рукописи

04201359028 Шит Амир Фархан

Уч

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ КЛАССА Е В РАДИОУСТРОЙСТВАХ НА ОСНОВЕ МОП-ТРАНЗИСТОРА

05.12.04 — «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор А.В. Муратов

Воронеж - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................................................................................................................5

1. Схемное решение усилителя мощности на базе МОП-транзистора........................10

1.1. Сравнительный анализ классов для выбора схемного решения усилителя мощности..............................................................................................................................................................................................................10

1.1.1. Класс А........................................................................................................................................................................................................10

1.1.2. Класс В..........................................................................................................................................................................................................11

1.1.3. Класс С..........................................................................................................................................................................................................12

1.1.4. Класс 0..........................................................................................................................................................................................................14

1.1.5. Класс Е............................................................................................................................................................................................................15

1.1.6. Класс Б............................................................................................................................................................................................................16

1.2. Сравнительный анализ усилителей мощности........................................................................................17

1.3. Физические принципы достижения высокой эффективности (КПД) усилителя мощности..........................................................................................................................................................................................18

1.4. Выбор схемного решения усилителя мощности класса Е..................................................21

2. Аналитические модели оценки параметров усилителя мощности класса Е

на базе МОП-транзистора........................................................................................................................................................................29

2.1. Аналитические и численные выводы расчетных формул....................................................29

2.1.1. Детальный расчет уравнений..................................................................................................................................32

2.1.2. Точность расчетных уравнений..........................................................................................................................34

2.1.3. Гармоническая фильтрация и связанные с ней изменения в расчетных уравнениях........................................................................................................................................................................35

2.2. Поиск оптимального решения эффективности (КПД)..............................................................36

2.3. Воздействия неидеальных компонентов..........................................................................................................37

2.4. Применимый частотный диапазон (от 3 МГц до 3 ГГц)........................................................38

2.5. Отличия цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами.. 39

2.6. Процедура подстройки......................................................................................................................................................................39

2.7. Схемы управления затвором..............................................................................................................................................48

2.7.1. Напряжение насыщения................................................................................................................................................52

2.7.2. Сопротивление в состоянии насыщения..............................................................................................54

2.7.3. Время перехода................................................................................................................................................................................55

2.7.4. Последовательная индуктивность..................................................................................................................57

2.8. Основные методы анализа ВЧ усилителей мощности..............................................................57

2.8.1. Получение характеристики нагрузки......................................................................................................58

2.8.2. Устойчивость......................................................................................................................................................................................60

2.8.3. Определения эффективности..................................................................................................................................61

2.9. Свойство линейности и усилитель мощности в режиме насыщения................62

2.10. Теоретические основы усилителя мощности класса Е..........................................................64

2.11. Основные выводы по главе..................................................................................................................................................71

3. Методика проектирования усилителя мощности Е класса на базе МОП-

транзистора........................................................................................................................................................................72

3.1. Основные этапы проектирования усилителя мощности класса Е на базе МОП-транзистора..................................................................................................................................................................................................72

3.1.1. Анализ схемы открытия и закрытия усилителя мощности на высоких частотах..........................................................................................................................................................................................72

3.1.2. Основные принципы высокой эффективности..........................................................................74

3.1.2.1. Случаи устойчивого открытия и закрытия......................................................................74

3.1.2.2. Переходные процессы открытия и закрытия..................................................................75

3.1.3. Анализ работы усилителя мощности класса Е..........................................................................76

3.2. Математический анализ методики оценки идеального усилителя мощности класса Е..............................................................................................................................................................................................78

3.3. Оценка влияния индуктивности рассеяния (1^) на работу переключателя..........................................................................................................................................................................................................................................89

3.4. Методика проектирования усилителя мощности класса Е по частям..........90

3.4.1. Методика согласования цепи входа............................................................................................................92

3.4.2. Методика согласования цепи выхода........................................................................................................93

3.5. Методика проектирования усилителя мощности класса Е в целом....................95

3.6. Методика определения соотношения между добротностью и эффективностью..........................................................................................................................................................................................................................98

3.7. Методика оценки воздействия параллельной ёмкости (С0..............................................101

3.8. Основные выводы по главе........................................................................... 102

4. Результаты измерений параметров генератора и усилителя мощности класса Е, разработанного по предложенной методике............................................................................104

4.1. Практические результаты проектирования генераторов и усилителей мощности класса Е................................................................................................ 104

4.1.1. Результаты разработки усилителя мощности Е класса с применением моделирующих радиотехнических программ................................................104

4.2. Проектирование физической модели генератора и усилителя мощности

на примере последнего......................................................................................... 117

4.3. Результаты определения зависимости выходной мощности от эффективности стока........................................................................................................................................................................................122

4.4. Результаты определения зависимости мощности выхода от эффективности ............................................................................................................................................................................................................123

4.4.1. Выбор в для выигрыша мощности........................................................ 124

4.5. Результаты определения соотношения выходной мощности и коэффициента усиления................................................................................................................................................................................124

4.6. Результаты определения формы спектра на выходе................................... 125

4.7. Основные выводы по главе........................................................................... 128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................................................... 130

Литература................................................................................................................. 131

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время усилители мощности сигналов широко используются в радионавигационных, радиолокационных, телевизионных, мультимедийных и связных системах, системах радиоуправления, системах радиоэлектронной борьбы, а также в других радиотехнических системах и средствах специального назначения. В последнее время в радиотехнических устройствах находят применение новые технологии, условно называемые технологиями класса

E. К ним относятся усилители мощности. Усилители мощности класса Е имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными усилителями классов А, В, С, D,

F. Отличительная особенность их заключается в том, что транзистор в усилителе класса Е одновременно выполняет как функцию ключа, так и функцию части цепи нагрузки для гармонических колебаний напряжения и тока. За счёт этого сочетания достигается значительно более высокая эффективность устройств класса Е. В них реализуется противофазное изменение напряжения и тока, что приводит к расширению возможностей усилительных устройств. Наряду с возможностью защиты усилителей от бросков высокого напряжения и тока появляется возможность минимизировать в них общие потери мощности, особенно во время переходных процессов.

Теория и техника усилителей и генераторов класса Е исследовались N.O. Sokal and Alan D. Sokal, M.Y. Thanoun, C.T. Boon, F.H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P.B. Kenington, Z.B. Popovich, N. Pothecary, J.F. Sevic, M.K. Kazimierczuk and Jacek Jozwik, P. Reyneart, M. Steyaert, Барановым A.B., Крыжановским В.Г. и другими учеными. Вместе с тем, особенности применения различных типов полевых транзисторов в устройствах рассматриваемого типа требуют более детального исследования. Это связано с тем, что устройства класса Е имеют реактивную нагрузку и технология выполнения транзистора имеет важное значение (межэлектродные емкости значительно влияют на реактивное сопротивление цепи нагрузки). Исследования в этом направлении являются актуальными.

Анализ литературных источников позволил выявить, что существующие

методы проектирования усилителей направлены в основном на модернизацию

5

известных устройств на основе новой электронной компонентной базы. Однако в настоящее время затруднено проектирование усилителей мощности с использованием МОП - транзистора или полевого транзистора с изолированным затвором из-за ограниченности применения последних в более высоком частотном диапазоне (до 3 ГГц).

Для устранения данного недостатка в существующих методах необходимо провести исследования по обоснованию принципов построения электронных устройств на основе усилителей мощности, базирующихся на МОП - транзисторе или полевом транзисторе с изолированным затвором.

В диссертации рассматриваются перспективные транзисторы указанного класса, исследуются особенности их применения в усилителях мощности класса Е. Учет этих особенностей показывает, что их целесообразно использовать при разработке усилителей мощности и генераторов, в том числе и высокочастотных.

Таким образом, задача разработки усилителей и генераторов класса Е, пригодных к применению на высоких частотах, на новой элементной базе является актуальной. Одновременно с этим возникает необходимость исследования и совершенствования существующих методов проектирования устройств, базирующихся на основе технологий класса Е. Анализ методов проектирования показал также целесообразность уточнения аналитического описания процесса линейного усиления сигнала с целью обоснования оптимальных параметров элементов принципиальной схемы и оптимального режима работы МОП-транзистора. Для проверки качества аналитической модели усилителя применены современные моделирующие радиотехнические программы. Показано, что перспективным направлением повышения качества технологии проектирования усилителей класса Е является сочетание возможностей современных моделирующих программ с аналитическими методами расчета. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает сокращение времени процесса их разработки, а с другой стороны, позволяет рассчитывать параметры усилителей мощности в условиях функционирования их при заданной частоте с требуемой мощностью.

Настоящяе диссертационное исследование посвящено решению указанных

актуальных задач повышения качества проектирования усилителей мощности

б

класса Е. Оно выполнено в Воронежском государственном техническом университете.

Целью работы является повышение эффективности методов проектирования усилителей мощности Е класса с использованием МОП - транзисторов на основе разработки моделей и методов оценки характеристик их функционирования для различных режимов работы.

Для достижения цели необходимо решение следующих научных задач:

1. Разработать и исследовать особенности схемного решения усилителя мощности Е класса на основе МОП-транзистора.

2. Исследовать и уточнить аналитические модели оценки характеристик качества и параметров усилителя мощности Е класса на базе МОП-транзистора.

3. Разработать методику проектирования усилителей Е класса на базе МОП-транзистора при различных режимах работы, учитывающую особенности функционирования устройств класса Е.

4. Получить результаты сравнительной оценки характеристик и параметров усилителей на основе МОП-транзистора методами моделирования и натурного эксперимента с целью оценки качества предложенной методики проектирования.

Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании основных положений и методов теорий: радиоэлектронных цепей, проектирования, связи.

Научная новизна. В работе получены следующие теоретические результаты, отличающиеся научной новизной.

1. Новые уточненные аналитические модели оценки основных параметров и характеристик усилителя мощности класса Е на основе МОП-транзистора, в отличие от известных, учитывающие влияние сосредоточенных и распределенных элементов схемы на важнейшие показатели качества усили-теля (КПД, линейность усиления, выходная мощность, динамический и частотный диапазон, спектр).

2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е, отличающаяся от известных применением комплексного подхода к проектированию: со-

четание метода аналитического расчета усилителя с требуемыми параметрами, и метода имитационного моделирования элементов усилителя и устройства в целом (с помощью современных моделирующих программ) для повышения качества моделирования.

3. Схемное решение усилителя мощности класса Е: применение МОП-транзистора и дополнительных компенсирующих индуктивностей, которые позволяют увеличить КПД и улучшить спектральные характеристики выходного сигнала за счет нейтрализации реактивных свойств усилителя.

4. Методика комплексного исследования для анализа влияния режимов работы и параметров схемы усилителя на качество усилителя класса Е и новые результаты исследований по методике, полученные путем аналитического расчета, имитационного моделирования и натурного эксперимента.

Достоверность научных результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждена сходимостью оценочных значений характеристик качества устройств класса Е, полученных методами натурного эксперимента, моделирования с помощью программ Simetrix, Micro Сар и путем аналитического расчета. Подтверждена корректность методики проектирования устройств на основе сочетания методов моделирования и аналитического расчета.

Практическая значимость. Использование разработанных методов проектирования и иследования усилителей мощности клааса Е позволяет сократить временные затраты на проектирование, повысить точность моделирования усилителей с заданными техническими характеристиками, а также автоматизировать процесс проектирования устройств класса Е.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации внедрены в виде методики и схемных решений в ОКР ОАО «Концерн «Созвездие», в виде программ автоматизированного компекса конструкторского проектирования базовых элементов в ОАО "НИИЭТ" и в виде учебно методических материалов на кафедре "Радиотехника" в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Акты внедрения прилагаются.

На защиту выносятся:

1. Аналитическая модель оценки параметров усилителя мощности Е класса с использованием МОП - транзистора.

2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е на основе сочетания методов аналитического расчета и моделирования (для повышения точности проектирования).

3. Количественные оценки улучшения характеристик усилителей мощности класса Е за счет изменений в схемном решении.

4. Расчетные и экпери�