Помощь студентам в учебе
Исследование и разработка ключевых усилителей мощности для высокоэффективного СЧ передатчика цифрового радиовещания
|
СПИСОК АББРЕВИАТУР 5
ВВЕДЕНИЕ 7
1. КЛЮЧЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ 18
1.1. Вводные замечания 18
1.2. Схемы ключевых усилителей мощности 19
1.2.1. Общие замечания 19
1.2.2. УМ класса D с резистивной нагрузкой 21
1.2.3. УМ класса D с фильтровой нагрузкой 24
1.2.4. Ключевые УМ классов F и Гинв 27
1.2.5. УМ класса Е 28
1.2.6. УМ с формами колебаний, обратными классу Е 32
1.2.7. УМ класса DЕ с фильтровой нагрузкой 33
1.2.8. УМ класса DE с резистивной нагрузкой 35
1.2.9. УМ класса EF 37
1.3. Новая классификация ключевых усилителей мощности 38
1.4. Выводы 43
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССОВ FE И DE 45
2.1. Вводные замечания 45
2.2. Модель МДП-транзистора 46
2.3. Временные зависимости токов и напряжений в выходной цепи 50
2.4. Параметры режима работы усилителей 58
2.4.1. Нормированные параметры формирующего контура 59
2.4.2. Коэффициенты разложения импульсов напряжения и тока в ряд Фурье 62
2.4.3. Относительная мощность первой гармоники в нагрузке 65
2.4.4. Определение длительности интервала недокрытия 65
2.5. Энергетические характеристики выходной цепи 67
2.5.1. КПД выходной цепи 67
2.5.2. Коэффициенты использования транзисторов 70
2.5.3. Сравнительная оценка частотно-мощностных свойств усилителей 72
2.5.4. Частотные ограничения, обусловленные возрастанием максимального
и среднеквадратического тока стока 74
2.6. Порядок расчета выходной цепи усилителей 74
2.7. Входные цепи усилителей 77
3
2.7.1. Требования к входной цепи 77
2.7.2. Возбуждение прямоугольными импульсами напряжения 78
2.7.3. Возбуждение гармоническим напряжением 79
2.8. Выводы 81
3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССОВ FE И DE 83
3.1. Вводные замечания 83
3.2. Моделирование работы усилителей классов FE и DE в режиме ПННТ 84
3.3. Моделирование работы усилителей классов FE и DE в диапазоне частот 98
3.4. Исследование нагрузочных характеристик усилителей классов FE и DE 111
3.5. Исследование модуляционных характеристик усилителей классов FE и DE 123
3.6. Выводы 130
4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЧ ПЕРЕДАТЧИКА ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ С УСИЛИТЕЛЕМ КЛАССА FE В ОКОНЕЧНОМ КАСКАДЕ .... 134
4.1. Вводные замечания 134
4.2. Усилитель мощности передатчика 135
4.2.1. Выбор и расчет УМ 135
4.2.2. Коррекция неравномерности фазоамплитудной характеристики УМ 138
4.2.3. Результаты моделирования УМ 140
4.3. Моделирование передатчика Кана 141
4.3.1. Модель передатчика 141
4.3.2. КПД передатчика 147
4.3.3. Качественные характеристики передатчика 148
4.4. Выводы 150
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
КЛАССА FE 151
5.1 Вводные замечания 151
5.2. Описание экспериментального макета 152
5.3. Расчет усилителя 156
5.4. Схема эксперимента 157
5.5. Компьютерная модель макета 158
5.6. Результаты эксперимента 161
5.6.1. Исследуемые характеристики 161
5.6.2. Работа УМ класса FE при расчетном недокрытии 169
5.6.3. Работа УМ класса FE с регулировкой смещения 172
5.6.4. Работа УМ класса F 173
4
5.6.5. Сравнение результатов эксперимента и моделирования 174
5.7. Выводы 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Потери мощности в выходной цепи транзисторов, работающих
в ключевом режиме 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. SPICE-модель МДП-транзисторов фирмы
International Rectifier 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Метод Кана (метод раздельного усиления составляющих) 196
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Основные параметры транзисторов, используемых в работе 200
АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 203
ВВЕДЕНИЕ 7
1. КЛЮЧЕВЫЕ УСИЛИТЕЛИ МОЩНОСТИ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ 18
1.1. Вводные замечания 18
1.2. Схемы ключевых усилителей мощности 19
1.2.1. Общие замечания 19
1.2.2. УМ класса D с резистивной нагрузкой 21
1.2.3. УМ класса D с фильтровой нагрузкой 24
1.2.4. Ключевые УМ классов F и Гинв 27
1.2.5. УМ класса Е 28
1.2.6. УМ с формами колебаний, обратными классу Е 32
1.2.7. УМ класса DЕ с фильтровой нагрузкой 33
1.2.8. УМ класса DE с резистивной нагрузкой 35
1.2.9. УМ класса EF 37
1.3. Новая классификация ключевых усилителей мощности 38
1.4. Выводы 43
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССОВ FE И DE 45
2.1. Вводные замечания 45
2.2. Модель МДП-транзистора 46
2.3. Временные зависимости токов и напряжений в выходной цепи 50
2.4. Параметры режима работы усилителей 58
2.4.1. Нормированные параметры формирующего контура 59
2.4.2. Коэффициенты разложения импульсов напряжения и тока в ряд Фурье 62
2.4.3. Относительная мощность первой гармоники в нагрузке 65
2.4.4. Определение длительности интервала недокрытия 65
2.5. Энергетические характеристики выходной цепи 67
2.5.1. КПД выходной цепи 67
2.5.2. Коэффициенты использования транзисторов 70
2.5.3. Сравнительная оценка частотно-мощностных свойств усилителей 72
2.5.4. Частотные ограничения, обусловленные возрастанием максимального
и среднеквадратического тока стока 74
2.6. Порядок расчета выходной цепи усилителей 74
2.7. Входные цепи усилителей 77
3
2.7.1. Требования к входной цепи 77
2.7.2. Возбуждение прямоугольными импульсами напряжения 78
2.7.3. Возбуждение гармоническим напряжением 79
2.8. Выводы 81
3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЕЙ КЛАССОВ FE И DE 83
3.1. Вводные замечания 83
3.2. Моделирование работы усилителей классов FE и DE в режиме ПННТ 84
3.3. Моделирование работы усилителей классов FE и DE в диапазоне частот 98
3.4. Исследование нагрузочных характеристик усилителей классов FE и DE 111
3.5. Исследование модуляционных характеристик усилителей классов FE и DE 123
3.6. Выводы 130
4. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СЧ ПЕРЕДАТЧИКА ЦИФРОВОГО РАДИОВЕЩАНИЯ С УСИЛИТЕЛЕМ КЛАССА FE В ОКОНЕЧНОМ КАСКАДЕ .... 134
4.1. Вводные замечания 134
4.2. Усилитель мощности передатчика 135
4.2.1. Выбор и расчет УМ 135
4.2.2. Коррекция неравномерности фазоамплитудной характеристики УМ 138
4.2.3. Результаты моделирования УМ 140
4.3. Моделирование передатчика Кана 141
4.3.1. Модель передатчика 141
4.3.2. КПД передатчика 147
4.3.3. Качественные характеристики передатчика 148
4.4. Выводы 150
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ МОЩНОСТИ
КЛАССА FE 151
5.1 Вводные замечания 151
5.2. Описание экспериментального макета 152
5.3. Расчет усилителя 156
5.4. Схема эксперимента 157
5.5. Компьютерная модель макета 158
5.6. Результаты эксперимента 161
5.6.1. Исследуемые характеристики 161
5.6.2. Работа УМ класса FE при расчетном недокрытии 169
5.6.3. Работа УМ класса FE с регулировкой смещения 172
5.6.4. Работа УМ класса F 173
4
5.6.5. Сравнение результатов эксперимента и моделирования 174
5.7. Выводы 176
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 182
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Потери мощности в выходной цепи транзисторов, работающих
в ключевом режиме 192
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. SPICE-модель МДП-транзисторов фирмы
International Rectifier 195
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Метод Кана (метод раздельного усиления составляющих) 196
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Основные параметры транзисторов, используемых в работе 200
АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 203
Современный уровень развития технологий цифровой обработки сигналов позволяет коренным образом повысить качество и расширить содержание услуг радиовещания путем перехода от традиционного аналогового к цифровому радиовещанию (ЦРВ).
Переход на ЦРВ особенно актуален для диапазонов НЧ, СЧ и ВЧ. Эти частотные диапазоны привлекательны для использования в радиовещании вследствие благоприятных особенностей распространения радиоволн [6], обеспечивающих большие зоны охвата. Так, в диапазоне СЧ и в вещательной (коротковолновой) части диапазона НЧ радиус действия передающих станций составляет в дневное время несколько сотен километров, а в ночное время за счет возрастания напряженности поля пространственной волны увеличивается до 2...3 тыс. км. В диапазоне ВЧ вследствие многократного последовательного отражения радиоволн от ионосферы и Земли радиус действия станций достигает тысяч километров.
Аналоговое вещание в указанных диапазонах имеет существенные недостатки раз¬личного характера. Первый недостаток - это невысокое качество приема. Диапазоны НЧ и СЧ характеризуются значительными атмосферными и промышленными помехами, а диапазон ВЧ - глубокими замираниями из-за многолучевости распространения [6, 7]. Это не позволяет обеспечить на приемной стороне высококачественное звучание и делает неэффективной трансляцию художественных передач.
Вторым недостатком аналогового вещания в диапазонах НЧ - ВЧ является небогатое содержание услуг - незначительное число передаваемых программ, обусловленное ограниченностью частотного ресурса, и невозможность реализовать все более востребованные потребителями сервисы передачи данных.
Наконец, третьим недостатком является частотная и энергетическая неэффективность используемого способа передачи вещательных сигналов, а именно двухполосной амплитудной модуляции (АМ). В то время как вся информация о модулирующем сигнале содержится в одной боковой полосе спектра АМ сигнала, передача двух боковых полос и несущей (класс излучения А3Е) означает, во-первых, вдвое менее эффективное использование частотного ресурса и, во-вторых, примерно в 4,4 раза большие энергозатраты на питание передатчика по сравнению с передачей сигнала однополосной амплитудной модуляции с подавленной несущей (ОМ, класс излучения 13Е) [10].
Для повышения частотной и энергетической эффективности систем радиовещания в диапазонах СЧ и ВЧ на международном уровне планировался переход от АМ к ОМ вещанию. При этом, так как обычные АМ приемники с детектором огибающей не способны принимать ОМ сигнал, то предполагалось провести этот переход поэтапно: сперва внедрить вещание с одной боковой полосой и несущей, подавленной на 6 дБ (класс H3E), что позволило бы принимать такие сигналы на традиционные АМ приемники, затем увели¬чить подавление несущей до 12 дБ (класс Я3Е), и, наконец, когда население будет в пол¬ной мере снабжено массовыми дешевыми приемниками с синхронными детекторами и автоподстройкой частоты, ввести вещание в классе J3E.
Переход на ЦРВ особенно актуален для диапазонов НЧ, СЧ и ВЧ. Эти частотные диапазоны привлекательны для использования в радиовещании вследствие благоприятных особенностей распространения радиоволн [6], обеспечивающих большие зоны охвата. Так, в диапазоне СЧ и в вещательной (коротковолновой) части диапазона НЧ радиус действия передающих станций составляет в дневное время несколько сотен километров, а в ночное время за счет возрастания напряженности поля пространственной волны увеличивается до 2...3 тыс. км. В диапазоне ВЧ вследствие многократного последовательного отражения радиоволн от ионосферы и Земли радиус действия станций достигает тысяч километров.
Аналоговое вещание в указанных диапазонах имеет существенные недостатки раз¬личного характера. Первый недостаток - это невысокое качество приема. Диапазоны НЧ и СЧ характеризуются значительными атмосферными и промышленными помехами, а диапазон ВЧ - глубокими замираниями из-за многолучевости распространения [6, 7]. Это не позволяет обеспечить на приемной стороне высококачественное звучание и делает неэффективной трансляцию художественных передач.
Вторым недостатком аналогового вещания в диапазонах НЧ - ВЧ является небогатое содержание услуг - незначительное число передаваемых программ, обусловленное ограниченностью частотного ресурса, и невозможность реализовать все более востребованные потребителями сервисы передачи данных.
Наконец, третьим недостатком является частотная и энергетическая неэффективность используемого способа передачи вещательных сигналов, а именно двухполосной амплитудной модуляции (АМ). В то время как вся информация о модулирующем сигнале содержится в одной боковой полосе спектра АМ сигнала, передача двух боковых полос и несущей (класс излучения А3Е) означает, во-первых, вдвое менее эффективное использование частотного ресурса и, во-вторых, примерно в 4,4 раза большие энергозатраты на питание передатчика по сравнению с передачей сигнала однополосной амплитудной модуляции с подавленной несущей (ОМ, класс излучения 13Е) [10].
Для повышения частотной и энергетической эффективности систем радиовещания в диапазонах СЧ и ВЧ на международном уровне планировался переход от АМ к ОМ вещанию. При этом, так как обычные АМ приемники с детектором огибающей не способны принимать ОМ сигнал, то предполагалось провести этот переход поэтапно: сперва внедрить вещание с одной боковой полосой и несущей, подавленной на 6 дБ (класс H3E), что позволило бы принимать такие сигналы на традиционные АМ приемники, затем увели¬чить подавление несущей до 12 дБ (класс Я3Е), и, наконец, когда население будет в пол¬ной мере снабжено массовыми дешевыми приемниками с синхронными детекторами и автоподстройкой частоты, ввести вещание в классе J3E.
В работе показана возможность и целесообразность повышения энергетической эффективности СЧ радиопередатчиков ЦРВ путем применения в них ключевых УМ классов FE и DE. Проведено комплексное исследование этих УМ, разработана единая методика их расчета, и даны рекомендации по их проектированию.
Предложена новая классификация ключевых УМ по критерию идеализированных форм выходных колебаний транзистора. Обладая методологической стройностью, она, как ожидается, будет способствовать устранению терминологической путаницы и лучшему пониманию различных ключевых УМ.
Выделено четыре типа двухтактных ключевых усилителей с переключением напряжения без КП: два - с фильтровой нагрузкой (усилители класса FE) и два - с резистивной нагрузкой (усилители класса DE). При этом УМ класса FE с параллельным ФК теоретически исследован в настоящей работе впервые, а усилители класса DE не только исследованы, но и предложены впервые. Главной особенностью последних является то, с рос¬том величины недокрытия содержание высших гармоник в токе нагрузки падает. Таким образом, известный недостаток ключевых УМ с резистивной нагрузкой, ограничивающий их применение в оконечных каскадах передатчиков, устраняется.
Во всех четырех УМ классов FE и DE для исключения КП реализуется режим ПННТ. Параметры выходной цепи и моменты переключения транзисторов, выбираемые для достижения ПННТ, в четырех УМ различны, поэтому их электрические, энергетические и качественные характеристики не совпадают. Для каждого УМ проведен анализ работы выходной цепи в режиме ПННТ. Он показал, что два УМ класса FE по электрическим и энергетическим характеристикам близки. Напротив, электрические и энергетические характеристики двух УМ класса DE существенно отличаются.
УМ класса DE с Г-образным ФК имеет электронный КПД такой же, как усилители класса FE. Кроме того, на относительно низких частотах коэффициент использования транзисторов по первой гармонике здесь выше, чем в классе FE. Таким образом, данный УМ потенциально является самым мощным из всех усилителей с ФК. КПД по первой гармонике ni в этом УМ по мере возрастания относительного недокрытия тз приближается к КПД усилителей класса FE. Максимизировать n1 можно, устанавливая тз « 60° и одновременно включая дополнительную внешнюю емкость параллельно выходу транзисторов.
УМ класса DE с параллельным ФК оказался наихудшим среди исследуемых: он имеет самый низкий КПД по первой гармонике, существенно большие пиковое и средне-квадратическое значения тока стока. Какие-либо видимые преимущества у него отсутствуют, и его использование не имеет смысла.
Проведенный теоретический анализ дал возможность сравнить усилители классов FE и DE между собой и с другими УМ по частотно-мощностным свойствам, что сделано впервые. Показано, что в качестве оконечных каскадов передатчиков их целесообразно применять при 0,5 < шСЕ2си макс/Р*1 < 4.5. В области меньших частот и больших мощностей следует использовать УМ ПНФ класса D, а при больших значениях параметра шСЕ2си макс/Р*1 предпочтительнее однотактные усилители класса Е.
C единых позиций при помощи компьютерного моделирования исследованы диапазонные, нагрузочные и модуляционные характеристики усилителей классов FE и DE. Соответствующие результаты получены автором также впервые.
Предложена новая классификация ключевых УМ по критерию идеализированных форм выходных колебаний транзистора. Обладая методологической стройностью, она, как ожидается, будет способствовать устранению терминологической путаницы и лучшему пониманию различных ключевых УМ.
Выделено четыре типа двухтактных ключевых усилителей с переключением напряжения без КП: два - с фильтровой нагрузкой (усилители класса FE) и два - с резистивной нагрузкой (усилители класса DE). При этом УМ класса FE с параллельным ФК теоретически исследован в настоящей работе впервые, а усилители класса DE не только исследованы, но и предложены впервые. Главной особенностью последних является то, с рос¬том величины недокрытия содержание высших гармоник в токе нагрузки падает. Таким образом, известный недостаток ключевых УМ с резистивной нагрузкой, ограничивающий их применение в оконечных каскадах передатчиков, устраняется.
Во всех четырех УМ классов FE и DE для исключения КП реализуется режим ПННТ. Параметры выходной цепи и моменты переключения транзисторов, выбираемые для достижения ПННТ, в четырех УМ различны, поэтому их электрические, энергетические и качественные характеристики не совпадают. Для каждого УМ проведен анализ работы выходной цепи в режиме ПННТ. Он показал, что два УМ класса FE по электрическим и энергетическим характеристикам близки. Напротив, электрические и энергетические характеристики двух УМ класса DE существенно отличаются.
УМ класса DE с Г-образным ФК имеет электронный КПД такой же, как усилители класса FE. Кроме того, на относительно низких частотах коэффициент использования транзисторов по первой гармонике здесь выше, чем в классе FE. Таким образом, данный УМ потенциально является самым мощным из всех усилителей с ФК. КПД по первой гармонике ni в этом УМ по мере возрастания относительного недокрытия тз приближается к КПД усилителей класса FE. Максимизировать n1 можно, устанавливая тз « 60° и одновременно включая дополнительную внешнюю емкость параллельно выходу транзисторов.
УМ класса DE с параллельным ФК оказался наихудшим среди исследуемых: он имеет самый низкий КПД по первой гармонике, существенно большие пиковое и средне-квадратическое значения тока стока. Какие-либо видимые преимущества у него отсутствуют, и его использование не имеет смысла.
Проведенный теоретический анализ дал возможность сравнить усилители классов FE и DE между собой и с другими УМ по частотно-мощностным свойствам, что сделано впервые. Показано, что в качестве оконечных каскадов передатчиков их целесообразно применять при 0,5 < шСЕ2си макс/Р*1 < 4.5. В области меньших частот и больших мощностей следует использовать УМ ПНФ класса D, а при больших значениях параметра шСЕ2си макс/Р*1 предпочтительнее однотактные усилители класса Е.
C единых позиций при помощи компьютерного моделирования исследованы диапазонные, нагрузочные и модуляционные характеристики усилителей классов FE и DE. Соответствующие результаты получены автором также впервые.