Усилитель класса: Как работает усилитель класса D, или Не такой как все

Содержание

Усилители класса H

Здесь представлен шестиканальный УНЧ на полевых транзисторах, идеально подходящий для использования в составе домашнего кинотеатра. Предлагаемый к повторению проект модульного усилителя мощности звука был создан довольно давно, но…

В стать представлена обновленная простая схема усилителя, и в тоже время обладающего очень большой мощностью, которая составляет на выходе 1000 Вт при сопротивлении нагрузки 8 Ом, в зависимости…

Качественный усилитель звука своими руками. Здесь представлены схемы и печатные платы подготовленные для самостоятельной сборки профессионального УМЗЧ серии Crown XLS. Это проверенная схема, прошедшая все необходимые тесты и…

2 канальный усилитель Electrocompaniet идеально подходит для усиления звука в небольших проекционных системах, поскольку обеспечивает достаточную мощность для подключения четырех динамиков 8 Ом в небольших помещениях. Выходная мощность…

Полупроводниковый усилитель мощности, выполненный на основе транзисторов HEXFET IRF9540 и IRF540. Схема отличается четкостью звука и очень низким уровнем шума. Он обеспечивает выходную мощность 65 Вт с нагрузкой…

Схема усилителя на транзисторах мощностью 300 Вт, хорошо подходит для работы с компактными динамиками или системами громкоговорителей низких или средних частот. Большим преимуществом такого усилителя, является использование общедоступных…

Кроссовер акустический — это тип электронного фильтра, используемой в ряде звуковых приложений, для разделения аудиосигнала на два или более частотных диапазона. Это особенно важно в системе домашнего кинотеатра…

Усилитель мощность, высокое качество — Разработкой высококачественных систем звуковоспроизведения занимаются многие радиолюбители. Одним из наиболее важных узлов звуковоспроизводящего комплекса является усилитель мощности. Создать такое устройство высокого класса нелегко,…

Усилитель мощность, высокое качество — Разработкой высококачественных систем звуковоспроизведения занимаются многие радиолюбители. Одним из наиболее важных узлов звуковоспроизводящего комплекса является усилитель мощности. Создать такое устройство высокого класса нелегко….

Производство профессиональных усилителей мощности с фирменным названием STABO. Фирменные усилители STABO отличается от других такого типа аппаратов своей исключительной надежностью и высоким уровнем изготовления. В качестве примера можно…

Усилитель мощности класса F с новой конфигурацией схемы

Введение

Высокочастотные усилители класса F из-за присущей им высокой эффективности находят самое широкое применение в современных портативных устройствах, а также в качестве усилителей мощности для передатчиков базовых станций мобильной связи. Если рассматривать идеальную модель, описывающую функционирование усилителя мощности класса F, то высоко­частотное напряжение на стоке (или коллекторе) имеет прямоугольную форму, а ток стока (или коллектора) имеет форму синусоидальной полуволны [1, 2], как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Идеализированная форма тока стока и напряжения в усилителях мощности класса F

Перекрытия между пиками напряжения и тока стока нет, что означает отсутствие рассеиваемой мощности в транзисторе и теоретический КПД на уровне 100%. Если предполагается, что транзистор работает в ключевом режиме, то форму сигнала на стоке можно менять, управляя гармониками напряжения и тока стока. Это управление достигается использованием в схеме согласования выхода усилителя мощности с его нагрузкой резонаторов, настроенных на гармоники тока и напряжения. Эти резонаторы, установленные непосредственно на выходе транзистора, должны представлять собой разомкнутую цепь для нечетных гармоник и короткое замыкание для четных [3]. Соответственно, напряжение на стоке транзистора выходного усилителя будет содержать только нечетные гармоники, в то время как ток стока будет содержать только лишь четные гармоники.

Форму напряжения стока, показанную на рис. 1, в целом можно описать как [4]:

,        (1)

где: Vdc — постоянное напряжение на стоке; Vd1 — амплитуда первой гармоники напряжения стока; Vdn

 — амплитуда n‑й нечетной гармоники напряжения стока.

Аналогично сигнал тока стока можно записать в виде:

, (2)

где: Idc — постоянный ток стока; Id1 — амплитуда первой гармоники тока стока; Idn — амплитуда n‑й четной гармоники тока стока.

Из уравнений (1) и (2) следует, что между основными составляющими напряжения на стоке и током имеется фазовый сдвиг на 180°.

Используя разложение в ряд Фурье, можно доказать, что:

 , (3)

 , (4)

, (5)

 , (6)

где: Vdd — напряжение питания стока; Im — максимальный, или пиковый, ток стока транзистора.

Полное сопротивление (импеданс) стока на основной частоте может быть определено как:

. (7)

Подставляя уравнения (4) и (6) в уравнение (7), получим:

 , (8)

где: Ropt — оптимальное сопротивление линии подключения нагрузки для режима работы усилителя, соответствующего классу F.

Максимальный ток стока Im может быть определен по техническим характеристикам транзистора, приведенным в его спецификации, или путем моделирования его выходной ВАХ, то есть зависимости тока стока от напряжения стока для постоянного тока.

Чтобы избежать искажения импульса тока стока, напряжение стока не должно опускаться ниже напряжения насыщения, поэтому уравнение (8) изменяется на уравнение, приведенное в [5]:

, (9)

где: Vsat — напряжение насыщения выходной ВАХ транзистора.

Необходимыми условиями для достижения оптимального входного импеданса нагрузки стока выходного транзистора являются:. (10)

Традиционная схема усилителя мощности с выходным транзистором, работающим в режиме класса F, представлена на рис. 2 [6].

Рис. 2. Упрощенная электрическая принципиальная схема обычного усилителя мощности класса F

Предполагается, что входной сигнал представляет собой прямоугольный сигнал возбуждения, достаточный для последующего переключения транзистора из выключенного состояния в область насыщения и отсечки. В этой схеме нагрузочное согласующее звено состоит из четвертьволновой линии передачи (в технической литературе известна как λ/4 линия передачи, обычно выполняется из отрезка коаксиального кабеля с учетом коэффициента укорочения) и параллельного колебательного контура, настроенного на основную частоту. Как известно, параллельный колебательный контур имеет высокий импеданс (представляет собой идеально разомкнутую цепь) на частоте резонанса и короткое замыкание на всех других гармонических частотах. Поэтому такой трансформатор линии передачи идеально работает как короткозамкнутый λ/4‑шлейф на всех гармониках, кроме первой. Таким образом, при преобразовании сопротивления нагрузки

RL в нагрузку для выходного транзистора усилителя мощности оно представляет собой повторяющееся короткое замыкание на четных гармониках и повторяющуюся разомкнутую цепь на нечетных гармониках, чем и обеспечивает оптимальное сопротивление линии подключения нагрузки для усилителя класса F на основной частоте.

Общепринятый в настоящее время метод проектирования согласующих каскадов для усилителей мощности класса F основан на использовании элементов с сосредоточенными параметрами, как это показано в [7]. В этой методике каскад сопряжения транзистора усилителя мощности с нагрузкой синтезируются как схема, обеспечивающая бесконечное полное сопротивление на основной частоте и ее третьей гармонике, а также низкоий импеданс на второй гармонике. Аналогичный подход был также описан и с новыми вариантами реализации схемы сопряжения усилителей мощности класса F с нагрузкой, в которых используются одновременно как элементы с сосредоточенными параметрами (дискретные катушки индуктивности и конденсаторы), так и элементы с распределенными параметрами (микрополосковые линии или отрезки коаксиальных кабелей) [8]. В этой публикации в явной форме были получены выражения для оценки влияния каждого элемента схемы в цепи формирования сопряжения с нагрузкой. Однако, для того чтобы иметь надлежащий импеданс нагрузки транзистора на основной частоте, в этих схемах должно быть добавлено еще и отдельное согласующее звено. Кроме того, рассмотренные выше варианты реализации усилителей ориентированы в основном на узкополосные усилители мощности класса F.

Имеется еще один вариант возможной реализации рассматриваемого режима работы. Решение заключается в использовании встроенных фильтров нижних частот [9]. В этом методе индуктивность и выходная емкость высокочастотного транзистора являются частью схемы сопряжения с нагрузкой. Недостаток этого подхода заключается в том, что здесь трудно определить аналитически номиналы элементов согласующего звена, и следовательно, такое решение требует компьютерной оптимизации. Для одновременного согласования и гармонической настройки, необходимой для согласования с нагрузкой, используются полосовые фильтры Чебышева [10]. К сожалению, последний метод достаточно сложен и требует крайне трудоемких вычислений.

 

Предлагаемая топология нагрузочного согласующего звена

Согласующее звено нагрузки для традиционного усилителя мощности класса F должно представлять собой разомкнутую цепь для нечетных гармоник основной частоты и короткое замыкание для четных гармоник. При всем этом необходимо еще и обеспечивать требуемое согласование импеданса при подключении нагрузки на основной частоте, то есть ее первой гармонике. На рис. 3 показана обобщенная блок-схема решения, которое предлагается для использования в качестве нагрузки усилителя мощности класса F.

Рис. 3. Общая топология решения для подключения нагрузки

Входной импеданс нагрузочной сети Zload должен удовлетворять условиям Zd, указанным в уравнении (10). Контур гармонического управления, иногда называемый схемой компенсации пиков импеданса, предназначен для подавления частоты второй гармоники и для максимизации уровня нечетных гармоник выходного напряжения. Согласующая схема предназначена также для преобразования сопротивления нагрузки, которое обычно равно 50 Ом, в требуемое для работы транзистора в оптимальном режиме сопротивление. Это обеспечивает реализацию класса F на основной частоте и гарантирует высокий импеданс для всех других гармонических составляющих основной частоты. Такой высокий импеданс согласующей цепи необходим для того, чтобы избежать паразитной нагрузки на схему управления на гармонических частотах, которая в противном случае может вызывать смещение частотной характеристики этой цепи. Полоса пропускания схемы согласования зависит от ее добротности, которая может выступать в качестве одного из важных параметров в процессе синтеза согласующего звена.

В обычных усилителях класса F для управления гармониками на стоке транзистора усилителя мощности используется короткозамкнутый четвертьволновый шлейф. В данной работе приводится новое решение в части получения пиков импеданса. Оно представлено на рис. 4 и состоит из двух параллельных λ/8 шлейфов, разомкнутого и короткозамкнутого, имеющих одинаковое характеристическое сопротивление Zo.

Рис. 4. Предлагаемое решение цепи для получения пиков импеданса

Входной импеданс закороченной линии передачи может быть выражен как [11]:

. (11)

Входной импеданс открытого шлейфа представляется как:

 , (12)

где θ — электрическая длина обеих линий передачи.

Входной импеданс такого звена Zpeak представляет собой параллельное включение импедансов Z1 и Z2:

 . (13)

После небольшого математического преобразования уравнения (13) получаем:

. (14)

Учитывая, что:

 , (15)

уравнение (14) можно упростить:

 . (16)

Импеданс Zpeak может быть выражен как функция от частоты. Это выполняется подстановкой значения θ = βℓ, где β — это фазовая постоянная, которая задается как 2π/λ, а ℓ = λo/8. Здесь λo представляет собой длину волны первой гармоники основной частоты. Основываясь на этих соображениях, формулы для импеданса Zpeak можно записать так:

 , (17)

где fo — основная рабочая частота радиосигнала.

Уравнение (17) показывает, что эквивалентный импеданс звена управления гармониками аналогичен эквиваленту обычного четвертьволнового короткозамкнутого шлейфа, но с коэффициентом 0,5.

На рис. 5 дано сравнение частотных характеристик в части входного импеданса схемы подавления гармонических составляющих по отношению к поведению импеданса короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа. Данные приведены для частот от 0 до 2,6 ГГц при основной частоте fo = 500 МГц. Как ясно видно из приведенного рисунка, отклик импеданса предлагаемой схемы на нечетных гармониках основной частоты является более резко выраженным. Это даст дополнительное уменьшение сигналов на частотах, расположенных рядом с первой гармоникой рабочей частоты.

Рис. 5. Сравнение частотных характеристик входного импеданса схемы подавления гармонических составляющих и короткозамкнутого четвертьволнового шлейфа

Согласующая цепь с высоким импедансом по отношению к гармоническим составляющим, представленная на рис. 3, может быть легко синтезирована для преобразования импеданса нагрузки усилителя 50 Ом на основной рабочей частоте в оптимальное сопротивление нагрузки линии Ropt. Она, как это отмечалось выше, должна иметь высокий импеданс на гармонических составляющих основной частоты. Это необходимо для того, чтобы не нагружать гармонический контур на этих частотах. Добротность этой схемы согласования также может управлять полосой пропускания схемы всего усилителя. Основываясь на этих соображениях, для выполнения желаемых требований здесь может быть использовано обычное для этой области техники Т‑образное согласующее звено, показанное на рис. 6, выполняющее роль трансформатора сопротивлений. Высокий реактивный импеданс на гармонических частотах обеспечивают две катушки индуктивности L1 и L2.

Рис. 6. Т-образное согласующее звено

Значения элементов схемы согласования после выбора требуемой добротности могут быть определены следующим образом [12]:

 , (18)

 , (19)

 , (20)

 , (21)

где f0 — основная рабочая частота; A — вычисленная постоянная; RL — сопротивление нагрузки 50 Ом.

В качестве альтернативного подхода значения элементов схемы согласования могут быть определены графически по круговой диаграмме импедансов (диаграмма Смита или круговая диаграмма полных сопротивлений) с помощью постоянной Q‑окружности. Полная топология согласующего звена нагрузки представлена на рис. 7.

Рис. 7. Предлагаемая конфигурация согласующего звена усилителя класса F

Схема согласования на основе T‑образного LC-звена может нагружать гармонический пиковый контур на нечетных гармониках, что, в свою очередь, может привести к незначительному сдвигу в точках максимума импеданса вокруг этих частот. Этот сдвиг частоты в основном зависит от добротности Q согласующей цепи. Чем выше Q, тем меньше смещение максимумов подавления гармонических частот.

 

Проектирование схемы высокочастотного усилителя  (UHF) мощностью 10 Вт

Для того чтобы подтвердить обоснованность и реализуемость предлагаемого согласования нагрузки, автором статьи была разработана схема усилителя мощности класса F с основной рабочей частотой 500 МГц. В этой конструкции был использован современный мощный высокочастотный транзистор CGh50010 [15] класса HEMT, выполненный на базе нитрида галлия (GaN). Транзистор при напряжении питания 28 В постоянного тока может обеспечить мощность более 10 Вт на частотах до 4 ГГц. Этот транзистор также обеспечивает высокое усиление мощности в широкой полосе частот. Высокое рабочее напряжение полупроводниковой технологии GaN HEMT обусловлено ее относительно высокой энергией запрещенной зоны и соответствующей этому возможностью выдерживать высокую напряженность электрического поля до пробоя. Кроме того, высокая плотность мощности, предлагаемая GaN-технологией, позволяет создавать миллиметровые по размерам кристалла устройства с выходной мощностью в несколько ватт [13].

Полученная в результате моделирования передаточная характеристика высокочастотного GaN HEMT транзистора CGh50010 представлена на рис. 8. Для этого использовалась SPICE-модель транзистора CGh50010 для режима большого сигнала. Приведенная характеристика показывает, что значение порогового напряжения затвор-исток для данного транзистора равно примерно –2,5 В. Это значение VGS принимается за рабочую точку режима работы класса F.

Рис. 8. Зависимость тока стока от напряжения затвора для GaN HEMT транзистора CGh50010

На рис. 9 представлена выходная ВАХ транзистора CGh50010. Как следует из рис. 9, напряжение насыщения сток-исток (или точка излома его выходной ВАХ) является относительно высоким и составляет порядка 4 В. Максимально допустимый ток стока для этого транзистора, указанный изготовителем в технической спецификации [15], составляет 1,5 А. Следовательно, оптимальное сопротивление нагрузки стока на основной рабочей частоте Ropt, полученное из уравнения (9), для данного типа транзистора равно 40 Ом.

Рис. 9. Зависимость тока стока от напряжения сток-исток для GaN HEMT транзистора CGh50010

Для проектирования схемы сопряжения с нагрузкой сначала необходимо определить добротность согласующей цепи. Фактически она зависит от требуемой полосы пропускания схемы усилителя мощности и может быть определена как:

. (22)

Поскольку основная рабочая частота схемы f0 составляет 500 МГц, то для желаемой полосы пропускания BW в 100 МГц добротность Q получается равной 5. Исходя из практических соображений, для того чтобы учесть влияние остальных элементов схемы, что может уменьшить общую полосу пропускания, добротность необходимо выбирать меньше ее расчетного значения. Элементы схемы согласования для преобразования импеданса нагрузки 50 Ом в значение Ropt, которое на основной частоте и для данной добротности, как это было определено выше, равно 40 Ом, рассчитываются по уравнениям (18–21). Для Q = 2 значения элементов схемы согласования равны: L1 = 25 нГн, L2 = 27 нГн и C = 6 пФ.

На рис. 10 приведен график зависимости импеданса согласующего звена нагрузки для двух значений добротности Q. Несмотря на то, что обе схемы имеют одинаковый импеданс (40 Ом) на основной частоте, здесь имеется небольшой сдвиг в отклике на частоте третьей гармоники (1,5 ГГц). При Q = 5 схема согласования с нагрузкой имеет импеданс на третьей гармонике 556 Ом, но при Q = 2 она уменьшается до 216 Ом. Однако при такой добротности обеспечивается и более широкая полоса пропускания. Так что здесь требуется некий компромисс.

Рис. 10. Зависимость импеданса согласующего звена нагрузки для двух значений добротности

Блок-схема усилителя мощности класса F показана на рис. 11. Входная согласующая цепь спроектирована так, чтобы обеспечить высокий входной импеданс для сигнала на затворе HEMT от источника с импедансом 50 Ом. Для обеспечения стабильности входная схема представляет собой резистивную (с потерями) схему, используемую для предотвращения возникновения паразитных колебаний и увеличения, таким образом, устойчивости усилителя в целом [14].

Рис. 11. Блок-схема высокочастотного усилителя мощности

Для проектирования согласующей входной цепи входное сопротивление мощного HEMT должно быть оценено по требуемой ширине полосы с учетом схемы согласования с нагрузкой и элементами обеспечения стабильности. На рис. 12 представлена электрическая принципиальная схема усилителя мощности без входной согласующей цепи. Выход усилителя нагружен на две микрополосковые линии, которые выполнены непосредственно на подложке стеклотекстолита марки FR‑4 с диэлектрической постоянной 4,5 и толщиной 1,6 мм. Напряжение питания стока подается на HEMT через короткозамкнутый шлейф цепи нагрузки, который, в свою очередь, подключается к ВЧ-заземлению через блокировочный конденсатор емкостью 470 пФ.

Рис. 12. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности без входной согласующей цепи

Резистор R1 и катушка индуктивности L3 представляют собой стабилизирующую сеть, обеспечивающую нормальное функционирование усилителя во всем желаемом диапазоне частот. Значения R1 и L3 были оптимизированы с использованием возможностей моделирования симулятора ADS. Для оценки входного импеданса по затвору транзистора в полосе частот от 440 до 540 МГц при входной мощности 1 Вт схема была проанализирована с использованием алгоритма гармонического баланса.

Входной импеданс затвора HEMT в полосе частот представлен на рис. 13. Этот график показывает, что на частоте, близкой к 500 МГц, сопротивление затвора носит емкостной характер со значением Zg = 11–j46 Ом.

Рис. 13. Зависимость входного импеданса от частоты, полученная в результате моделирования

Для минимизации КСВН всей схемы усилителя мощности применена схема согласования из последовательно включенной катушки индуктивностью 23 нГн и конденсатора емкостью 8,2 пФ. Полная электрическая принципиальная схема усилителя мощности представлена на рис. 14.

 

Результаты моделирования 

Представленная на рис. 14 схема усилителя мощности была промоделирована с помощью симулятора гармонического баланса из пакета программного обеспечения ADS.

Рис. 14. Электрическая принципиальная схема усилителя мощности

На рис. 15 представлена форма напряжения на стоке HEMT, а на рис. 16 показана форма его тока на частоте 500 МГц при уровне входной мощности 1 Вт.

Рис. 15. Форма напряжения на стоке транзистора на частоте 500 МГц, полученная в результате компьютерного моделирования

Эти формы в дополнение к нелинейной выходной емкости и индуктивности выводов силового ВЧ-транзистора формируются еще и за счет отражения сигнала от схемы согласования с нагрузкой. Ток стока представляет собой аппроксимацию полуволновых синусоидальных импульсов и находится в противофазе с напряжением на стоке, что уменьшает мощность рассеивания на стоке HEMT и тем самым увеличивает КПД усилителя мощности.

Рис. 16. Форма тока стока транзистора на частоте 500 МГц, полученная в результате компьютерного моделирования

На рис. 17 приведена форма выходного напряжения схемы усилителя мощности. Чисто синусоидальный характер этого сигнала обусловлен эффективной фильтрацией в выходном каскаде согласования.

Рис. 17. Выходной сигнал усилителя мощности на частоте 500 МГц, полученный в результате компьютерного моделирования

На рис. 18 показан график выходной мощности относительно уровня входной мощности в значениях дБм при частоте моделирования 500 МГц.

Рис. 18. Зависимость выходной мощности от входной мощности

Усилитель обеспечивает выходную мощность более 40 дБм (10 Вт) при уровне входной мощности 30 дБм (1 Вт). ВЧ-транзистор находится в глубоком насыщении на этом уровне мощности. Коэффициент усиления по мощности усилителя представлен на рис. 19 и составляет около 11 дБ при уровне входной мощности 30 дБм. Точка компрессии 1 дБ достигается при входной мощности 15 дБм, при этом, как мы видим, коэффициент усиления по мощности быстро падает.

Рис. 19. Зависимость усиления по мощности от входной мощности усилителя

КПД по стоку усилителя (Drain Efficiency) в зависимости от мощности приведен на рис. 20 вместе с коэффициентом PAE* (КПД с добавленной мощностью). При уровне входной мощности 1 Вт усилитель имеет КПД по стоку 84,8% и КПД с добавленной мощностью 78,2%.

Рис. 20. Зависимость эффективности от входной мощности

Эффективность по стоку рассчитывается по формуле:

, (23)

где: Pout — выходная мощность по ВЧ; Pdc — мощность, потребляемая от источника питания постоянного тока, определяемая как:

 . (24)

Здесь Vdd представляет напряжение питания стока, а Idc — постоянная составляющая тока стока (ток потребления).

Коэффициент PAE рассчитывается как:

 . (25)

После завершения первого этапа компьютерного моделирования, выполненного на основной рабочей частоте, было проведено компьютерное моделирование в полосе рабочих частот 440–540 МГц при входной мощности, поддерживаемой постоянной на уровне 1 Вт.

Рис. 21. Зависимость усиления по мощности от частоты

На рис. 21 представлена зависимость усиления по мощности от частоты. Коэффициент усиления мощности составляет около (10±1) дБ во всей полосе.

Рис. 22. Зависимость выходной мощности усилителя от частоты

На рис. 22 показана зависимость выходной мощности от рабочей частоты, а рис. 23 отображает КПД стока и PAE схемы.

Рис. 23. Зависимость КПД усилителя от частоты

В рабочей полосе частот усилитель имеет КПД более 80%, а КПД усилителя с добавленной мощностью PAE составляет более 75%. Возвратные потери, приведенные на рис. 24, показывают достаточно приемлемое согласование в области рабочих частот.

Рис. 24. Зависимость обратных потерь от частоты

Выводы

В данной статье предложена и детально проанализирована топология сопряжения нагрузки для выходных каскадов высокочастотных усилителей мощности класса F. Основными особенностями схемы согласования являются простота ее конструкции, управляемая пропускная способность и предсказуемое поведение. Предложенное решение было проверено в ходе проектирования усилителя мощности класса F с выходной мощностью 10 Вт, работающего в полосе частот 440–540 МГц, который был выполнен с использованием современного высокочастотного мощного HEMT. Результаты моделирования показывают, что КПД по стоку такого усилителя на частоте 500 МГц составил более 84% при коэффициенте усиления 11 дБ на номинальном уровне выходной мощности. Хотя схема сочетает в себе элементы как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами, ее можно модифицировать заменой Т‑образной схемы согласования импедансов на эквивалентную схему на отрезках линий передачи. Это может увеличить рабочую частоту схемы до диапазона гигагерц. При тщательной разработке с использованием предлагаемой топологии согласования может быть получена достаточно плоская АЧХ усилителя мощности в приемлемом диапазоне частот.

Литература
  1. L. Krauss, C.W. Bostian, and F. H. Raab. Solid State Radio Engineering. New York: Wiley, 1980.
  2. H. Raab. An Introduction to Class-F Power Amplifiers. RF Design, Vol. 19. 1996, № 5.
  3. K. Kazimierczuk. RF Power Amplifiers. John Wiley & Sons, 2008.
  4.  Grebennikov, N. Sokal, and M. Franco. Switchmode RF and Microwave Power Amplifiers. 2nd edition, Elsevier, 2012.
  5.  Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications. 2nd edition, Artech House, 2006.
  6. H. Raab. FET Power Amplifier Boosts Transmitter Efficiency. Electronics, Vol. 49. 1976, № 6.
  7.  Trask. Class-F amplifier loading networks: a unified design approach. Proceedings of the 1999 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Anaheim, CA. 1999, June.
  8.  Grebennikov. Load network design for high-efficiency class-F power amplifiers. Proceedings of the 2000 IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, Vol. 2, Boston, MA, 2000, June.
  9. A. Beltran. Class-F and inverse class-F power amplifier loading networks design based upon transmission zeros. 2014 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Tampa, FL. 2014, June.
  10. Wu and X. Liu. A 3.4–3.6‑GHz high efficiency Gallium Nitride power amplifier using bandpass output matching network. Proceedings of the 2015 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Phoenix, AZ. 2015, May.
  11.  Ludwig and G. Bogdanov. RF Circuit Design: Theory and Applications. 2nd Edition, Upper Saddle River, NJ: Pearson Educations, 2009.
  12.  Becciolini. Impedance Matching Networks Applied to RF Power Transistors. Application Note AN721, Freescale Semiconductor, 2005.
  13.  Rezaei, L. Belostotski, and F.M. Ghannouchi. 1.6 GHz — 3 GHz, 10W, 60% Efficiency Class-J PA for Cognitive Radio Applications. Proceedings of the 2013 56th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. 2013, August.
  14.  Grebennikov. Load Network Design Technique for Class F and Inverse Class F Pas. High Frequency Electronics, Vol. 10, № 5. 2011, May.
  15. CGh50010 10 W, DC — 6 GHz, RF Power GaN HEMT, Rev.4.0 — May 2015, Cree Inc. http://www.wolfspeed.com/ downloads/ dl/file/id/317 /product/ 117/cgh50010.pdf /ссыка утеряна/

Какие существуют классы усилителей звука, их особенности ― 130.com.ua

Усилитель звука — это сложное устройство, работающее чаще всего на основе транзисторов, способное усиливать электрические колебания на низких частотах, воспринимаемых человеческим ухом. Основной его задачей является корректировка звукового сигнала, чтобы получить необходимую мощность, и передача его на различные звуковоспроизводящие устройства. Именно благодаря использованию данных устройств можно расширить возможности любых аудиосистем и добиться более мощного и насыщенного звучания.

Особенности использования усилителей звука

Усилитель является завершающим элементом при создании системы звукоусиления. Эти устройства могут быть выполнены как в виде независимых блоков, с отдельной панелью управления, так и иметь внутренние элементы, помещенные внутрь гибридной микросхемы. Они имеются почти в каждом приборе, который воспроизводит звуковые сигналы: в магнитолах, динамиках, компьютерах, смартфонах, наушниках и даже в музыкальных игрушках.

Все усилители можно поделить на 2 основные группы: бытовые и профессиональные.

Бытовыми считаются те устройства, которые могут обеспечить лишь незначительный уровень усиления с малым искажением звука. Они, как правило, используются в домашних аудиосистемах, где важнее добиться максимального качества звучания, а не большой громкости.

Профессиональные усилители – это более мощные системы, которые обычно используются для осуществления студийной звукозаписи, на концертах, при озвучивании разнообразных мероприятий и т.д. Главное преимущество звукового оборудования данного типа — высокие показатели КПД, большая мощность и заметное усиление звука.

Конечно же, усилители используются и в автомобильных аудиосистемах, они необходимы для формирования оптимального звучания акустики в условиях автомобильного салона. При этом очень важно при выборе усилителя для автомобиля обращать внимание на основные технические параметры устройства: мощность, частотный диапазон, сопротивление, количество каналов и другие. Одним из таких важных параметров также является и класс усилителя.

Классификация звуковых усилителей

Данные устройства отличаются по принципу и режиму работы, поэтому делятся на несколько основных классов. Причем еще каких-то 20 лет назад можно было найти лишь 2-3 варианта усилителей звука. Сегодня же доступны самые разные разновидности в нескольких основных классах: «А», «АВ», «В», «С», «D» и другие. Такое разнообразие объясняется использованием новейших технологий в изготовлении полупроводниковых элементов. Именно они дали возможность увеличить качество звуковоспроизведения, минимизировать размеры и существенно снизить стоимость усилителей. Итак, давайте рассмотрим, какие же классы существуют и их основные особенности и отличия.

Класс А

Усилители этого класса характеризуются низкой эффективностью, но «чистым» сигналом. Этот класс принято считать аудиофильским, так как такие устройства обеспечивают минимальные показатели искажения звукового сигнала. КПД у них составляет около 20-30%. Они достаточно дорогие при низкой мощности, поэтому в автомобильных аудиосистемах такие устройства устанавливаются достаточно редко. Их иногда можно встретить в дорогих аудиосистемах.

Но есть у них и существенный недостаток — высокий ток покоя. Данная величина характеризует ток, который проходит через транзисторы, даже при условии, что входного сигнала нет. Это провоцирует нагревание усилителей, при это большая часть энергии от блока питания преобразуется в тепло, что и приводит к низким показателям КПД.

Класс В

У усилителей звука данного класса эффективность в сравнении с предыдущим значительно выше – примерно в два раза. КПД их составляет порядка 70%. Но у них выходной сигнал значительно больше искажается. Считается, что они выдают звук низкого качество, многие специалисты называют его «сухим». Именно поэтому данный тип усилителей считается непригодным для автомобильных аудиосистем и в машинах практически никогда не устанавливается.

Класс АВ

Это, как уже видно из названия, комбинированный вариант – среднее между первыми двумя типами. Характерно то, что усилители данного класса при сигнале высокого уровня могут работать, как усилители класса «В», а при сигнале низкого уровня – как усилители класса «А». То есть данный класс сочетает в себе чистый звук, свойственный устройствам типа А, и эффективность типа В. Это и делает их самыми распространенными на данный момент автомобильными усилителями.

Если говорить о производительности, то их КПД составляет около 60%. Этого достаточно для получения высокого качества звукопередачи и обеспечения чистого звука даже при большой громкости. Усилители класса АВ часто используются при формировании аудиосистем высокого класса.

Класс D

Этот класс усилителей появился относительно недавно. В устройствах подобного типа используется цифровая обработка аудио сигнала и специальные импульсные блоки питания. Усовершенствованная конструкция и самые современные технологии обработки звука позволили получить мощный усилитель звука в компактном размере и малом весе.

В классическом усилителе транзисторы на выходе подают непрерывный сигнал. При этом в них на линейных выходах отмечается довольно большое рассеивание мощности. А вот в устройствах класса D мощность почти не рассеивается, а значит и не теряется. Это свойство расширяет возможности использования усилителей этого типа. Объясняется это тем, что малое рассеивание мощности способствует тому, что схема почти не нагревается, а также дает возможность экономить место на плате. Все это не только снижает конечную стоимость продукта, но увеличивает время автономной работы. Также стоит отметить, что они могут усиливать цифровой сигнал без его преобразования в аналоговый. Эта технология применяется, если аудиосигнал уже подается на устройство в цифровом виде.

Одним из главных преимуществ усилителей звука класса D является высокий КПД – от 85 до 95% без потери качества. Этот показатель достигается благодаря тому, что амплитуда импульсов почти равна показателю напряжения питания, поэтому на выходных транзисторах утраты мощности очень незначительны. При этом помехи и искажения при передаче звука также относительно небольшие. Усилители этого класса – отличный вариант для установки в автомобиль.

Как видим, класс усилителя звука во многом определяет его рабочие характеристики и качество звуковоспроизведения. И его обязательно надо учитывать при выборе устройства, чтобы получить оптимальный результат в итоге, после подключения всего звукового оборудования. Если вы хотите купить автомобильный усилитель звука в Киеве, Одессе, Харькове, то магазин 130.com.ua предлагает очень большой выбор моделей от ведущих производителей профессиональной акустической аппаратуры.

ТОП-3 автоусилителей звука

 

Материалы по теме

Усилители мощности класса D и TD

Усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), обычно называемый просто «усилитель» — это прибор, который превращает линейный звуковой сигнал (например, из выхода микшерного пульта) в электрический ток, который «раскачивает» громкоговорители в акустических системах. Ламповые усилители в настоящее время в профессиональном звукоусилении не применяются. Производимые сейчас транзисторные усилители мощности можно разделить на 2 основных группы: классы AB и H (будем называть их аналоговыми) и классы D и TD (их, соответственно, назовём цифровыми). Несмотря на то, что результат работы обоих групп усилителей одинаков, у них есть ряд важных отличий. 

Аналоговые усилители массово производятся с 70-х годов прошлого века. Основные отличительные особенности усилителей этого класса — сравнительно болшие габариты и вес, и сравнительно низкий КПД (идеальный КПД усилителя класса AB — 78%, реальный может опускаться до 40% в зависимости от условий работы). В основном этим и обусловлены размеры корпуса аналоговых усилителей — система охлаждения в них может занимать до половины объёма корпуса. Вкратце, принцип работы аналогового усилителя сводится к тому, что выходной ток усилителя регулируется полупроводниковым прибором — биполярным транзистором (в реальных усилителях как правило, несколькими транзисторами, включенными параллельно). Потери электрической мощности при прохождении тока через биполярные транзисторы и являются причиной низкого КПД и большого тепловыделения усилителей этого класса. 

Усилители класса D, называемые также «цифровые усилители», используют принципиально другой принцип работы. Выходной каскад из этих усилителей сформирован из полевых транзисторов, работающих в режиме широтно-импульсной модуляции — то есть, транзисторы либо полностью открыты (тогда их сопротивление составляет сотые доли ома), либо полностью закрыты. В результате потери электрической мощности в выходном каскаде практически отсутствуют, и КПД реальных серийно производимых цифровых усилителей может составлять до 95%. Соответственно, отсутствует необходимость в громоздкой системе охлаждения, и цифровые усилители получаются в несколько раз более компактными и лёгкими, чем их аналоговые собратья такой же мощности. Например, аналоговый усилитель Crown XLi 3500 занимает  2 рэковых высоты и весит 19,5 кг, цифровой усилитель KONANlabs DA-1000 занимает 1 рэковую высоту и весит всего 3,8 кг, при одинаковой мощности — 2х1000 Вт на 8-омной нагрузке. 

Строго говоря, называть все усилители класса D цифровыми — не совсем корректно, поскольку технически возможно реализовать усилитель мощности на основе широтно-импульсной модуляции полностью аналоговым способом. Бюджетные модели усилителей D-класса обычно полностью аналоговые, а в дорогих сериях для формирования высокочастотных импульсов, которые управляют выходным каскадом, применяется система цифровой обработки сигнала (DSP). То есть, не все усилители класса D являются цифровыми, но все цифровые усилители являются усилителями D-класса (или одним из его вариантов — класса T, J, TD и т. д.). Основная разница между аналоговыми и цифровыми усилителями класса D состоит в том, что аналоговая схема вносит несколько больше нелинейных искажений, с использованием же цифровой обработки получается добиться искажений не больших, чем в самых качественных усилителях класса AB при существенно меньших габаритах и весе, и большей энергоэффективности.

Существует распространёное мнение, что аналоговые усилители безусловно «лучше звучат», чем цифровые, однако, объективности в этой точке зрения не больше, чем в обожествлении «тёплого лампового звука». Во-первых, если говорить не о высоких материях, а о реально существующих приборах — в обоих группах существуют как низкобюджетные, при разработке и производстве которых основным критерием была экономия, так и устройства Hi-End, бескомпромиссные как по звучанию, так и по стоимости. Во-вторых, обсуждать «качество звучания» усилителя не имеет смысла в отрыве от всей системы звукоусиления, каждый из элементов которой — начиная от микрофонов и заканчивая отделкой помещения — представляет собой компромисс между пожеланиями заказчика и его финансовыми возможностями. Таким образом, даже если на лабораторном стенде отдельные параметры какого-то конкретного аналогового усилителя окажутся «лучше», чем параметры какого-то конкретного цифрового усилителя — в реальных условиях это различие скорее всего не будет заметно на слух. Основные же преимущества цифровых усилителей — высокий КПД и малые габариты и вес — очевидны каждому.

Ещё одной перспективной разработкой являются усилители класса TD. Если не вдаваться в технические детали — усилители этого класса используют «аналоговый» выходной каскад класса AB, питание которого осуществляет отдельная подсистема, работающая по принципу усилителя класса D. В результате получилось создать усилитель, обеспечивающий «аналоговое» качество звучания при КПД и массогабаритных показателях, близких к цифровым УМЗЧ.

 Наши специалисты с удовольствием помогут вам приобрести, установить и настроить лазерное, световое, звукоусилительное и другое оборудование для ночных клубов, караоке, ресторанов, концертных и актовых залов в Ставрополе, Краснодаре, Москве, Санкт-Петербурге, Сочи, Ростове-на-Дону, Нальчике, Грозном, Черкесске, Владикавказе, Махачкале, Элисте, Волгограде, других городах ЮФО, СКФО и республики Крым.

 

Микроволны101 | Классы усилителей

Нажмите здесь, чтобы перейти на нашу главную страницу по усилителям

Новинка февраля 2016 года! Наши друзья из компании Keysight прислали нам ЕЩЕ ОДИН полезный видеоролик (включая загружаемые инструменты и шаблоны) об усилителях. На этот раз Мэтт говорит о классах A, AB и B. 

ВАХ транзистора

Кривые транзистора показаны на следующих двух рисунках. Во-первых, это полевой транзистор. Здесь источник тока управляется напряжением, что означает, что ток на входе (затворе) практически отсутствует.

В случае биполярного устройства (например, HBT) устройство действует как источник тока с регулируемым током.

Точка смещения, также известная как точка покоя «Q», является функцией напряжения (или тока) на входной клемме и напряжения на выходной клемме. Мы показали точки смещения для классов A, AB, B на IV кривой для сравнения.

Класс А

Малый сигнал класса A работает линейно. Точка смещения находится посередине между током насыщения и отсечкой.Когда вы слышите слова «блок усиления» или «линейный усилитель», думайте о классе А. Выходной сигнал использует 100% форму волны входного сигнала.

Класс Б

В классе B транзистор работает только в одном полупериоде сигнала. Таким образом, при отсутствии возбуждения входным сигналом мощность постоянного тока, потребляемая в классе B, идеально равна нулю для усилителя на основе полевого транзистора и очень мала для биполярного усилителя. Теоретическая максимальная эффективность для класса B составляет 78,5 %.

В «дополнительном усилителе» или двухтактном усилителе используются транзисторы противоположной полярности (PNP и NPN), которые работают в классе B, но при этом обеспечивают полную форму волны.Искажение заключается в том, что каждый транзистор должен преодолеть пороговое напряжение, которое можно уменьшить с помощью цепи смещения на входе.

Класс АВ

Здесь устройства смещены где-то между линейным (класс A) и классом B, возможно, на 25% от максимального тока IMAX. Это, безусловно, самая популярная точка смещения для усилителя мощности, предлагающая хороший компромисс между коэффициентом усиления, мощностью и эффективностью. Довольно часто коэффициент усиления твердотельного устройства уменьшается по мере приближения к точке смещения нулевого тока.

Вот видео, в котором все это объясняется более подробно (спасибо, Мэтт из Keysight!)

На практике точка смещения AB смещается (или самосмещается) при движении. Обычно между входной клеммой и ее источником питания имеется заметное сопротивление, поэтому в условиях сильного сигнала начинает протекать постоянный ток либо из-за пробоя, либо из-за прямой проводимости. В обоих случаях точка смещения сместится в класс AB, точка смещения будет ближе к пробою, чем к …

Класс С

Это похоже на класс B, но настроенная схема выводит из устройства только предполагаемую частоту.

Класс Е
В усилителях класса E

используются контуры LC, как и в усилителях класса C, но в усилителе класса E активным устройством становится переключатель. Хотите узнать больше об усилителях мощности класса E? Посмотрите это видео от Keysight. Это займет менее 15 минут вашего времени и содержит ссылки на образцы файлов, которые вы можете скачать.

Классы D и F также считаются «переключающими усилителями». Мы оставим это обсуждение на другой день, когда кто-нибудь захочет нам помочь!

 

 

Классы эксплуатации усилителей

— транзисторы с биполярным переходом

Биполярные переходные транзисторы

В предыдущих обсуждениях мы предполагали, что для каждой части входных данных сигнал был на выходе с усилителя. Это не всегда так с усилителями.Может быть желательно, чтобы транзистор был проводящим для только часть входного сигнала. Часть ввода, для которой существует выход определяет класс работы усилителя. Есть четыре основных класса операций усилителя. Это класс А, класс АВ, класс В и класса С.

Работа усилителя класса А

Усилители класса А смещены таким образом, что вариации полярности входного сигнала происходят в пределах отсечки и насыщения .В ПНП транзистора, например, если база становится положительной по отношению к эмиттер, дырки будут отталкиваться от PN-перехода, и ток не сможет течь в коллекторном контуре. Это состояние известно как отсечка. Насыщенность происходит, когда база становится настолько отрицательной по отношению к эмиттеру, что изменения сигнала не отражаются на протекании коллекторного тока.

Смещение усилителя таким образом помещает рабочую точку постоянного тока между отсечка и насыщение и позволяет току коллектора течь во время полный цикл (360 градусов) входного сигнала, что обеспечивает выход который является копией ввода.Базовый транзисторный усилитель (обсуждалось ранее) является примером усилителя класса А. Хотя выход этого усилителя не совпадает по фазе с входом на 180 градусов, выходной ток все еще течет в течение всего времени на входе.

Усилитель класса А используется в качестве аудио- и радиочастотного усилитель в радио, радаре и звуковых системах, и это лишь несколько примеров.

Для сравнения выходных сигналов усилителей разных классов операции, обратитесь к рисунку ниже во время последующего обсуждения.

Сравнение выходных сигналов для разных классов работы усилителя.

Работа усилителя класса AB

Усилители, предназначенные для работы в классе AB, смещены так, что коллектор ток равен нулю (отсечка) на участке одного чередования входного сигнала. Это достигается за счет того, что напряжение прямого смещения меньше пикового значение входного сигнала. При этом переход база-эмиттер будет обратное смещение в течение одного чередования в течение времени, в течение которого вход напряжение сигнала противодействует и превышает значение напряжения прямого смещения.Следовательно, ток коллектора будет течь более чем на 180 градусов, но меньше чем 360 градусов входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид B). По сравнению с усилителем класса А рабочая точка постоянного тока для класса Усилитель AB ближе к отсечке.

Усилитель класса AB обычно используется в качестве двухтактного усилителя. для преодоления побочного эффекта работы класса B, называемого перекрестным искажением.

Работа усилителя класса B

Усилители смещены так, что ток коллектора отключается в течение половины входной сигнал относится к классу B.Рабочая точка постоянного тока для этого класса Усилитель настроен так, что базовый ток равен нулю при отсутствии входного сигнала. Когда подается сигнал, один полупериод будет смещать базу-эмиттер в прямом направлении. соединение и I C потекут. Другой полупериод будет обратным сместит переход база-эмиттер и I C будет отрезан. Таким образом, для работы класса B ток коллектора будет протекать примерно 180 градусов (половина) входного сигнала, как показано на рисунке выше (вид C).

Усилитель класса B широко используется для аудиоусилителей, требуют мощного выхода. Он также используется в качестве драйвера и усилителя мощности. каскады передатчиков.

Работа усилителя класса C

В режиме класса C ток коллектора протекает менее чем за один полупериод. входной сигнал, как показано на рисунке выше (вид D). Операция класса C достигается путем обратного смещения перехода эмиттер-база, которое устанавливает Рабочая точка постоянного тока ниже отсечки и разрешает только ту часть входного сигнала, которая преодолевает обратное смещение, вызывая протекание тока коллектора.

Усилитель класса C используется в качестве усилителя радиочастоты в передатчиках.

Из предыдущего обсуждения можно сделать вывод, что два основных элемента определяют класс работы усилителя — (1) величина смещения и (2) амплитуда входного сигнала. При заданном входном сигнале и уровне смещения вы можете изменить перевод усилителя из класса А в класс В, просто убрав прямое смещение. Также усилитель класса А можно поменять на класс АВ, увеличив входной сигнал амплитуда.Однако, если амплитуда входного сигнала увеличивается до такой степени, что транзистор переходит в режим насыщения и отсечки, тогда он называется усилителем с перегрузкой .

Вы должны быть знакомы с двумя терминами, используемыми в связи с усилителями: верность и эффективность . Верность — это точное воспроизведение сигнала. Другими словами, если выход усилителя такой же, как и вход, за исключением амплитуды, усилитель имеет высокую степень достоверности.Противоположность верности — это термин, который мы упомянутое ранее — искажение. Таким образом, схема с высокой точностью имеет низкие искажения. В заключение, усилитель класса А имеет высокую степень точности. Усилитель класса AB имеет меньшую точность воспроизведения, а усилители класса B и класса C имеют низкая или «плохая» достоверность.

КПД усилителя относится к соотношению мощности выходного сигнала по сравнению с к полной входной мощности. Усилитель имеет два источника входного питания: один от сигнала, и один от блока питания.Поскольку каждое устройство требует энергии для работы, усилитель который работает на 360 градусов входного сигнала, потребляет больше энергии, чем если бы он работал на 180 градусов входного сигнала. Используя большую мощность, усилитель имеет меньшую мощность доступен для выходного сигнала; таким образом, эффективность усилителя низкая. Этот так обстоит дело с усилителем класса А. Работает на 360 градусов входного сигнала и требует относительно большой входной мощности от источника питания. Даже при отсутствии входного сигнала, усилитель класса А по-прежнему использует питание от источника питания.Следовательно, вывод от усилителя класса А относительно мала по сравнению с общей входной мощностью. Это приводит к низкому КПД, приемлемому для усилителей класса А, поскольку они используются там, где эффективность не так важна, как точность.

Усилители класса AB смещены так, что ток коллектора отсекается на части одного чередования входного сигнала, в результате чего общая входная мощность меньше, чем усилитель класса А. Это приводит к лучшей эффективности.

Усилители класса B смещены с небольшим или отсутствующим током коллектора на постоянном токе. рабочая точка.При отсутствии входного сигнала мало тратится мощность. Поэтому, КПД усилителей класса В еще выше.

Эффективность класса C является самой высокой из четырех классов работы усилителя.

Теперь, когда мы проанализировали базовый транзисторный усилитель с точки зрения конфигурации схемы, класса операции и предвзятости, давайте применим то, что было рассмотрено к этот усилитель. Репродукция этого усилителя показана ниже для вашего удобства.

Эта иллюстрация не просто базовый транзисторный усилитель, показанный ранее. но усилитель класса А, настроенный как общий эмиттер с фиксированным смещением.От это, вы должны быть в состоянии заключить следующее:

Из-за фиксированного смещения усилитель термически нестабилен.
Из-за работы в классе А усилитель имеет низкий КПД, но хороший верность.
Поскольку он сконфигурирован как общий эмиттер, усилитель имеет хорошее напряжение, ток и прирост мощности.

В заключение, конфигурация схемы, класс работы и тип смещения все ключи к функции и возможному применению усилителя.

Исследование усилителя мощности класса J с нелинейным выходом для оптимизации работы ). Эффективность усилителя класса J повышается за счет нелинейной емкости из-за генерации гармоник нелинейным C

out , особенно второй гармонической составляющей напряжения. Это гармоническое напряжение позволяет уменьшить разность фаз между основными составляющими напряжения и тока с 45 ◦ до менее чем 45 ◦ при сохранении полусинусоидальной формы.Следовательно, усилитель класса J с нелинейным C на выходе может обеспечить большую выходную мощность и более высокий КПД, чем с линейным C на выходе . В качестве еще одной оптимизированной структуры усилителя класса J представлен усилитель с насыщенным усилителем, о котором недавно сообщалось в нашей группе. Разность фаз предлагаемого УМ равна нулю. Как и в усилителе класса J, усилитель мощности использует нелинейный C из для формирования сигнала напряжения с чисто резистивным основным сопротивлением нагрузки на источнике тока, что повышает выходную мощность и эффективность.УМ выгодно отличается от усилителя класса J по форме сигнала, импедансу нагрузки, выходной мощности и эффективности. Эти операции описываются с использованием как идеальной, так и реальной моделей транзистора в Agilent Advanced Design System. Создан высокоэффективный усилитель на основе насыщенного УМ с использованием устройства Cree GaN HEMT CGh50010 на частоту 2,14 ГГц. Он обеспечивает КПД добавленной мощности 77,3% при мощности насыщения 40,6 дБм (11,5 Вт).

Ключевые слова — Класс J, усилитель с насыщением, эффективность, нелинейный выходной конденсатор, усилитель мощности.

I. ВВЕДЕНИЕ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ усилители мощности (УМ) являются важным радиочастотным компонентом систем беспроводной связи для создания небольших, надежных и недорогих передатчиков [1]–[3]. На сегодняшний день предложено множество топологий для обеспечения высокоэффективной работы. Среди различных усилителей мощности класс F обеспечивает хорошую эффективность за счет управления импедансом нечетных гармоник для создания прямоугольной формы сигнала напряжения [3]–[6]. Однако, чтобы получить правильное напряжение третьей гармоники, выходной конденсатор (C out ) должен быть точно настроен.Более того, в зависимости от емкости и рабочей частоты, в некоторых случаях импеданс емкости может вызывать короткое замыкание на частоте третьей гармоники. Усилитель класса E обеспечивает превосходную эффективность, действуя как идеальный переключатель [7], [8].

Рукопись получена 8 декабря 2009 г.; пересмотрено 15 июня 2010 г. Эта работа была поддержана MKE (Министерство экономики знаний), Корея, в рамках программы поддержки ITRC (Исследовательский центр информационных технологий), контролируемой NIPA (Национальным агентством содействия развитию ИТ-индустрии) (NIPA- 2010-(C1090-1011-0011)), по программе WCU (Университет мирового класса) через Корейский научно-технический фонд, финансируемый Министерством образования, науки и технологий (проект №R31-2008-000-10100-0), а также в рамках проекта Brain Korea 21 в 2010 г.
Дж. Мун, Дж. Ким и Б. Ким работают на кафедре электротехники Пхоханского университета науки и технологий, Пхохан. , Кёнбук, 790-784, Корея (электронная почта: [email protected]; [email protected]; [email protected]).

Однако фактическая идеальная операция переключения силового транзистора может быть или не быть возможной в зависимости от рабочей частоты и силового транзистора. Кроме того, высокочастотные составляющие напряжения стока могут быть закорочены, а время переключения может быть значительным, что затрудняет переключение при нулевом напряжении и переключение по производной при нулевом напряжении.Такие ограничения снижают эффективность усилителя мощности класса E на высоких частотах.

В 2006 г. [3] и 2009 г. [9] S.C. Cripps предложил усилитель класса J, который обеспечивает такую ​​же эффективность и линейность, как усилители класса AB или класса B, в широком диапазоне частот из-за отсутствия условия резонансного импеданса, таких как короткое замыкание или обрыв цепи. УМ класса J увеличивает основную составляющую напряжения за счет напряжения второй гармоники за счет использования емкостной гармонической нагрузки [10]–[12].Однако для формирования формы сигнала напряжения требуется комплексное сопротивление нагрузки на основной частоте. В результате характеристики усилителя мощности класса J ухудшаются из-за рассогласования фаз, что делает его сравнимым с характеристикой линейного усилителя мощности с гармонической настройкой, такого как класс AB или класс B, но сообщаемый класс J PA обеспечивает лучшую эффективность, чем теоретические ожидания [13]–[15].

Высокоэффективные PAs были широко проанализированы в прошлом, но большинство этих анализов было выполнено в предположении линейного C из [3]–[15].Однако C из демонстрирует сильно нелинейное поведение при низком напряжении на конденсаторе [16], [17], что приводит к неожиданной работе и сложности анализа. Хотя некоторые исследователи пытались описать операции УМ с учетом нелинейного конденсатора [18]–[23], они сосредоточились только на топологии класса Е на низких частотах, ниже 400 МГц.

В этой статье исследуется свойство генерации гармоник нелинейного C из транзистора, а также исследуется поведение усилителей мощности с линейным и нелинейным C из .В частности, усилители класса J, в которых выходные конденсаторы используются в качестве нагрузки второй гармоники, дополнительно анализируются с точки зрения форм сигналов напряжения и тока во временной области, линий нагрузки, импеданса нагрузки и характеристик непрерывной волны (CW). Усилители класса J сравниваются с усилителем насыщенной мощности, и показано, что усилитель представляет собой оптимизированную версию усилителя мощности класса J для получения более высокой эффективности и выходной мощности. В [24] и [25] мы объяснили работу насыщенного УМ. Он использует нелинейный C из в качестве гармонической нагрузки, такой же, как в усилителе класса J, и чисто резистивную основную нагрузку, которая отличается от усилителя мощности класса J.Резистивный основной импеданс нагрузки увеличивает коэффициент мощности, в результате чего КПД и выходная мощность выше, чем у усилителя класса J

. Рис. 1. (a) Упрощенная модель эквивалентной схемы транзистора. (b) Емкости для линейного и нелинейного C out s. (c) характеристика DC-IV.

II. АНАЛИЗ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСИЛИТЕЛЯ КЛАССА J

A. Модель идеального транзистора для моделирования

) с помощью символически заданного устройства, как показано на рис.1(а). Для упрощения анализа модель транзистора содержит две важные нелинейные части: C out и источник тока стока. C out представляет все нелинейные конденсаторы транзисторного выхода, включая конденсатор сток-исток C ds и конденсатор затвор-сток C gd . Несмотря на то, что C ds и C gd модулируются в соответствии с напряжениями сток-исток и затвор-исток, в этой модели предполагается зависимость только от напряжения сток-исток.Таким образом, C out определяется как

C out (Vds) = C out 0 +A·[1 + tanh (B · Vds + C)] [pF] , (1)

где C из 0, A, B и C приведены в таблице I. На рис. 1(b) показана характеристика нелинейного C из в зависимости от напряжения сток-исток. Емкость резко возрастает, когда напряжение сток-исток становится маленьким. Ток сток-исток определяется как

, где gm — крутизна, а V gs,max — напряжение затвор-исток, когда I ds равно I max .Для простоты будем считать, что напряжение отсечки равно нулю. Как показано на рис. 1(c), модель транзистора демонстрирует сильно нелинейные эффекты отсечки и насыщения. В промежуточной области между отсечкой и насыщением транзистор обеспечивает высоколинейную работу. В частности, в этой модели gm и I max установлены на 1 S и 1,5 A соответственно, а V k составляет около 4 В. Эти параметры основаны на модели Cree GaN HEMT CGH60015, используемой для реализация.Хорошо известно, что входной нелинейный конденсатор Cgs имеет нелинейную характеристику, что приводит к генерации гармонических составляющих [10]–[12], [26], [27]. Однако по сравнению с выходным нелинейным конденсатором Cgs оказывает незначительное влияние на характеристики, как будет описано в разделе III, поэтому в этой модели влияние нелинейности Cgs исключено.

Рис. 2. Полусинусоидальные формы сигналов напряжения и тока для различных разностей фаз (в частности, δ = π/4 соответствует УМ класса J).

B. Усилитель класса J с линейным выходным конденсатором

Сначала мы рассмотрим работу усилителя класса J с линейным конденсатором C из . Линейный C из относится к постоянной емкости, как показано на рис. 1(b). Усилитель класса J можно охарактеризовать полусинусоидальными формами сигналов напряжения и тока со сдвигом фаз между ними, как показано на рис. 2. Эти формы сигналов можно выразить как

, где δ — разность фаз между напряжением и током от нормальный 180◦.Таким образом, полное сопротивление нагрузки каждой гармонической частоты можно рассчитать как

, где n обозначает n-ю частотную составляющую. Для I max = 1 и V dc = 1/π основные нагрузки и нагрузки второй гармоники определяются как

. составная часть. Таким образом, для формирования полусинусоидальной формы волны напряжения основной импеданс нагрузки устанавливается равным 1∠(π/4). Это приводит к снижению выходной мощности в cos раз (π/4).

Дальнейшее исследование работы усилителя мощности класса J проводится с использованием модели, описанной в разделе II-A. Поскольку в этой работе предполагается работа класса J, смещенная в условиях класса B, усилитель класса B также моделируется для целей сравнения. Для конструкции класса B выбирается оптимальный основной импеданс нагрузки для получения максимальной выходной мощности.

В моделировании V dc установлено на 30 В, поэтому R opt выбран равным 34,6 Ом.

Рис. 3. Смоделированные (а) формы сигналов напряжения и тока во временной области и (б) линии нагрузки для усилителей класса B и класса J с линейным C из .Рис. 4. Основные составляющие тока (а) и напряжения (б) для усилителей классов B и J с линейным C из . Рис. 5. Моделирование эффективности усилителей класса B и класса J с линейным C из . Рис. 6. Настройка моделирования для исследования поведения усилителей и свойства генерации гармоник нелинейного C out .

Для усилителя класса J форма волны напряжения является полусинусоидальной. Он состоит из всех четных гармонических составляющих напряжения.Однако предполагается, что компоненты напряжения на частотах более высокого порядка равны нулю из-за большого выходного конденсатора устройства. Мы полагаем, что в реальных условиях проектирования полусинусоидальная форма волны напряжения в основном состоит из компонентов постоянного тока, основной гармоники и второй гармоники напряжения. Среди различных полусинусоидальных сигналов напряжения, управляемых компонентами вплоть до второй гармоники, в этом исследовании предполагается условие «максимального усиления по напряжению» [10]–[12]. Соответственно, величина основного сопротивления нагрузки должна быть установлена ​​на √2R opt , поскольку максимальное значение основного напряжения, извлеченного из полусинусоидальной формы волны, увеличивается в √2 раза по сравнению с усилителем класса B. .Кроме того, для правильного формирования полусинусоидального сигнала напряжения требуется соответствующее количество напряжения второй гармоники. В частности, условие «максимального усиления по напряжению» может быть достигнуто, когда отношение второй гармоники к основному напряжению составляет -√2/4. Таким образом, при идеальном полусинусоидальном токе, имеющем ток основной гармоники не более 2 и ток второй гармоники 2I max /3π, требуемый импеданс нагрузки по второй гармонике равен

. Усилитель J представлен как

. При моделировании усилителя класса J полное сопротивление нагрузки основной гармоники и второй гармоники выбрано равным 34.6 +
j34,6 Ом и −j40,768 Ом соответственно.

C. Усилитель класса J с нелинейным выходным конденсатором

На рис. 3 показаны смоделированные формы напряжения и тока во временной области, а также линии нагрузки для разработанных усилителей класса J и класса B с линейным C из . Из-за сложного импеданса основной нагрузки усилитель класса J обеспечивает линию нагрузки, имеющую «петлевую характеристику». На рис. 4 показаны основные составляющие тока и напряжения для усилителей класса B и класса J.В области насыщения основной ток класса B немного больше, чем у класса J, потому что класс J имеет асимметричную форму волны тока из-за сложного основного сопротивления нагрузки, как показано на рис. 3 (a). ). Однако для раздвоенного тока класса B требуется немного больший постоянный ток, чем для класса J, а эффективность класса B в области сильного насыщения немного ниже, чем у усилителя класса J, как показано на рис. 5. Хотя основное напряжение усилителя класса J увеличено в √2 раза по сравнению с усилителем класса B, как показано на рис.4(b), выходная мощность и КПД усилителя класса J такие же, как у усилителя класса B из-за рассогласования фаз между формами тока и напряжения на 45°. Короче говоря, хотя усилители класса B и класса J с линейными C из имеют разные основные нагрузки и согласование гармоник, характеристики двух усилителей мощности почти одинаковы, за исключением условий сильного насыщения. Однако даже в условиях сильного насыщения разница очень мала.

Рис. 7.Смоделированные (а) формы сигналов напряжения и тока во временной области и (б) линии нагрузки для усилителей класса J с линейным и нелинейным C из с. 8. Средняя емкость для класса J с нелинейным C из в зависимости от уровня мощности.

Хотя в разделе II-B четко объясняются основные принципы работы усилителя класса J и приводятся надлежащие условия нагрузки, в нем не описывается реальное поведение усилителя, поскольку C из является не линейным, а нелинейным элементом, т.к. показано на рис.1(б). В этом разделе исследуется базовая работа усилителя класса J с нелинейным C из с использованием установки, показанной на рис. 6. Здесь мы определяем импеданс нагрузки на источнике тока ZLoad, а емкость настраивается для основная частота при низком уровне мощности. На рис. 7 представлены смоделированные формы напряжения и тока во временной области, а также линии нагрузки усилителей класса J с линейной и нелинейной C из с, а на рис. 8 показана средняя емкость в соответствии с уровнем выходной мощности для класса -J усилитель с нелинейным C out .В области малой мощности, ниже 32 дБм (1,6 Вт) выходной мощности, размах напряжения на стоке находится в пределах диапазона, в котором нелинейная C out может рассматриваться как линейная емкость, как показано на рис. 7. и Рис. 1. При выходной мощности 32 дБм (1,6 Вт) напряжение изменяется от 20 В до 50 В, так что средняя емкость остается около 2,1 пФ. Следовательно, формы сигналов и линии нагрузки для нелинейного случая C из такие же, как и для линейного случая C из .Это приводит к почти одинаковым характеристикам выходной мощности и КПД, как показано на рис. 9. Кроме того, выходные импедансы нагрузки основной гармоники и второй гармоники как для линейных, так и для нелинейных C out одинаковы, правильно формируя полусинусоидальные формы сигналов напряжения, как показано на рис. 10. Однако, когда выходная мощность увеличивается выше 32 дБм (1,6 Вт), средняя емкость также увеличивается с большой емкостью при низком напряжении. Таким образом, как показано на рис. 7(а), форма волны тока имеет большой провал в середине, генерирующий большую третью гармонику тока и повышающую эффективность.Более того, амплитуда основного импеданса нагрузки увеличивается, но фаза уменьшается, как показано на рис. 10. В результате, в отличие от усилителя класса J с линейным C out , форма сигнала напряжения смещается в сторону уменьшения разность фаз между осциллограммами тока и напряжения при сохранении полусинусоидальной формы напряжения. Это приводит к повышенной выходной мощности и эффективности по сравнению с усилителем класса J с линейным выходом C из .Что здесь интересно, так это то, что эти формы волны могут быть получены с δ менее 45◦. Однако из (5) δ менее 45◦ приводит к отрицательному значению сопротивления второй гармоники. Это означает, что нелинейный C из генерирует компонент напряжения второй гармоники. Этого явления нельзя ожидать от работы усилителя класса J с линейным выходом C из .

Рис. 9. Смоделированная эффективность усилителя класса J с линейным C из и усилителей класса B и J с нелинейным C из в зависимости от уровня мощности.Рис. 10. Траектории импеданса нагрузки основной и второй гармоник в зависимости от уровня мощности.

На рис. 11 показаны результаты моделирования, демонстрирующие генерацию гармоник нелинейного C из . Моделирование выполняется с использованием схемы на рис. 6. Результаты моделирования включают в себя ток, протекающий через линейный и нелинейный C из , и результирующие формы сигналов напряжения на конденсаторе во временной и частотной областях. В отличие от линейного конденсатора, нелинейный конденсатор генерирует форму волны напряжения, состоящую из основной и гармонической составляющих напряжения.Хотя в конденсатор подается только ток основной гармоники, напряжение содержит большую составляющую второй гармоники с небольшими частотными составляющими более высокого порядка. Поскольку транзистор можно рассматривать как источник тока, управляемый напряжением, ток, протекающий через конденсатор, определяется входным напряжением. Напряжение на конденсаторе пропорционально интегралу тока, заряду в конденсаторе, масштабированному по емкости. Это может быть выражено как

Q (tx) указывает заряд на C из до tx.Поскольку Q (tx) уменьшается с отрицательным i (t), C из быстро увеличивается. В нижней части напряжения выходное напряжение VDS (tx) не может сильно измениться из-за большого отклонения C от при ограниченном токе привода. То есть Q (tx)/C из (VDS (tx)) остается почти постоянным, VDD, во всем регионе. В результате форма сигнала напряжения имеет уплощенную характеристику в области низкого напряжения, подобную полусинусоидальной форме, как показано на рис. 11(b). Таким образом, импеданс второй гармоники может находиться в области отрицательного сопротивления, как показано на рис.10, потому что составляющая второй гармоники в форме сигнала напряжения генерируется не второй гармоникой тока и нагрузки, а нелинейным C out . Эта вторая гармоническая составляющая допускает разность фаз между основным током и напряжением менее 45°. Кроме того, гармонические составляющие, генерируемые нелинейным конденсатором, можно изменять в соответствии с нелинейным профилем C из . Чем больше изменяется нелинейный конденсатор, тем больше генерируется вторая гармоника.Если импеданс нагрузки второй гармоники, подключенный параллельно нелинейному C out , больше, чем импеданс нелинейного C out , может поддерживаться полусинусоидальная форма волны напряжения. Компонент тока второй гармоники, генерируемый источником тока, может способствовать этому поведению, генерируя полусинусоидальную форму волны напряжения. Однако ток насыщения с большим провалом в середине имеет значительную третью гармонику и довольно малый ток второй гармоники. Наряду с низким гармоническим импедансом, напряжение второй гармоники в основном формируется за счет генерации гармонического напряжения нелинейным конденсатором.Мы вернемся к этому вопросу при моделировании с использованием реальной модели устройства в разделе III.

Рис. 11. Результаты моделирования для демонстрации генерации нелинейной гармоники C из . (а) Ток, протекающий от линейного и нелинейного C через с. Результирующие формы сигналов напряжения на конденсаторе во временной (b) и частотной (c) областях.

D. Оптимизация усилителя класса J с нелинейным выходным конденсатором: усилитель с насыщением

Усилитель класса J может быть дополнительно оптимизирован для достижения более высокого КПД и выходной мощности за счет уменьшения рассогласования фаз между основными составляющими напряжения и тока. , принимая резистивное основное условие нагрузки.Это возможно благодаря генерации напряжения второй гармоники нелинейным C out . Чтобы добиться высокоэффективной работы, форма сигнала напряжения должна быть сформирована так, чтобы минимизировать рассеиваемую мощность устройства за счет уменьшения параллельных ненулевых напряжения и тока. Однако, как упоминалось в разделе II-C, если внешняя нагрузка второй гармоники больше, чем уровень импеданса, генерируемого выходным конденсатором, полусинусоидальный сигнал напряжения может быть сгенерирован нелинейным C out .В [24] и [25] мы предложили новый высокоэффективный усилитель мощности с насыщением, использующий преимущества нелинейного C out для формирования сигнала напряжения с резистивной основной нагрузкой, и это оптимизированная работа класса J-усилитель. Поскольку его форма волны аналогична форме сигнала класса F-1, импеданс основной нагрузки регулируется в пределах от √2R opt до 2R opt для достижения максимальной эффективности при приемлемой выходной мощности [6]. Гармоническая нагрузка имеет большой допуск, потому что форма сигнала напряжения в основном формируется нелинейным C out .Это означает, что полусинусоидальное напряжение может генерироваться, если импеданс нагрузки второй гармоники больше, чем уровень импеданса нелинейного C out . Полное сопротивление гармонической нагрузки, сравнимое или меньшее, чем сопротивление нелинейной нагрузки C из , мешает генерации гармонического напряжения. Однако для достижения максимальной эффективности вторая гармоника должна быть тщательно согласована с определенным импедансом.

Рис. 12. Смоделированные (а) формы сигналов напряжения и тока во временной области для насыщенного усилителя и (б) линии нагрузки для класса J и насыщенных усилителей.

На рис. 12 показаны смоделированные формы напряжения и тока во временной области, а также линии нагрузки для усилителей класса J и насыщенных усилителей с нелинейным C out . В отличие от сигналов усилителя класса J, изображенных на рис. 7(а), разность фаз между током и напряжением почти равна нулю из-за резистивного импеданса основной нагрузки, как показано на рис. 13. гармоническое напряжение для формирования полусинусоидальной формы волны напряжения генерируется в основном нелинейным C из , импеданс второй гармоники остается в области отрицательного сопротивления.Однако в области малой мощности, где нелинейный C из можно рассматривать как линейный конденсатор, фаза импеданса основной нагрузки насыщенного усилителя не равна 45°, а фаза второй гармоники равна -90°. ◦, поэтому он не обеспечивает полусинусоидальную форму волны напряжения. На рис. 14 показаны смоделированные КПД для усилителей класса J и насыщенных усилителей. Поскольку насыщенный усилитель имеет меньшую фазовую расстройку между напряжением и током по сравнению с усилителем класса J, он обеспечивает более высокую выходную мощность и эффективность, чем усилитель класса J.

Короче говоря, для линейного C из усилитель класса J не имеет никаких преимуществ по сравнению с усилителем класса B в отношении выходной мощности и эффективности из-за несоответствия фаз между формами сигналов напряжения и тока. Однако для нелинейного случая C из усилитель класса J имеет шанс улучшить характеристики, поскольку нелинейный конденсатор генерирует гармонические составляющие напряжения, особенно вторую гармоническую составляющую напряжения. Таким образом, разность фаз может быть уменьшена ниже −45◦.Дальнейшее улучшение может быть достигнуто за счет выбора чисто резистивной нагрузки для основной частоты, чтобы устранить рассогласование фаз между напряжением и током, сохраняя при этом полусинусоидальную форму сигнала напряжения. Это может быть выполнено, если внешний импеданс второй гармоники больше, чем уровень нелинейного C out , который является насыщенным УМ, еще более оптимизированной версией усилителя класса J для высокоэффективной работы.

Рис. 13. Траектории импеданса нагрузки основной гармоники и второй гармоники для усилителей класса J и насыщенных усилителей в зависимости от уровня мощности.Рис. 14. Смоделированные КПД усилителей класса J и насыщенных усилителей.

III. РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Рис. 15. Моделированные кривые выходной мощности и КПД для второй гармоники при задании импеданса на основной и третьей гармониках равными 18,23 + j25,15 Ом и 0 Ом на стоке площадка голого чипа.Рис. 16. Смоделированные контуры КПД источника второй гармоники, когда основной импеданс источника находится в состоянии сопряженного согласования, а оконечные нагрузки выходной нагрузки установлены в состояние насыщенного УМ.Характеристическое сопротивление диаграммы Смита составляет 5 Ом.

Для проверки формирования сигнала напряжения нелинейным C из и высокой эффективности работы был разработан и реализован усилитель с насыщением на частоте 2,14 ГГц с использованием устройства в корпусе Cree GaN HEMT CGh50010, содержащего чистую микросхему CGH60015. Поскольку модель коммерческого устройства включает в себя эффекты упаковки из-за соединительных проводов, выводов упаковки и паразитных помех, моделирование проводится с использованием модели без микросхем, чтобы показать работу, присущую насыщенному УМ.Кроме того, моделирование для реализации проводится с использованием модели корпусного устройства. На рис. 15 показаны смоделированные контуры выходной мощности и КПД для второй гармоники, когда импедансы основной гармоники и третьей гармоники установлены равными 18,23 + j25,15 Ом и 0 Ом соответственно на дренажной площадке голой микросхемы. . Моделирование нагрузки-тяги было выполнено с использованием Agilent ADS 2008 Update 1. Модель устройства CGH60015 и информация об упаковке были предоставлены Cree Inc. гармонический импеданс нагрузки велик, доказывая, что нелинейного C из достаточно, чтобы преобразовать напряжение в полусинусоиду.Поскольку большой импеданс нагрузки по второй гармонике обеспечивает высокий КПД, он установлен равным 2 + j80 Ом. Для работы с высоким КПД и выходной мощностью импеданс основной нагрузки зависимого источника тока определен равным примерно 60 Ом. Поскольку эффективность немного меняется в соответствии с импедансом согласования третьей гармоники, импеданс устанавливается равным 0,

Рис. Диаграмма Смита на рис. 16 (A = 0 Ом, B = 0.01 + j1,3 Ом, C =
0,01 + j2,8 Ом, D = 0,01 − j2,8 Ом, E = 5 Ом, F = 100 Ом).

До сих пор считалось, что импедансы основной гармоники и гармонической нагрузки на выходе обеспечивают высокую мощность и КПД, а основная входная составляющая согласовывалась сопряженно. Однако было замечено, что входные согласования гармоник должны быть правильно размещены из-за нелинейного входного конденсатора Cgs. В частности, чтобы сохранить синусоидальный входной сигнал на затворе, согласование входных гармоник часто устанавливается на короткое замыкание [26], [27].С другой стороны, в [10]–[12] они предприняли попытку формировать форму выходного напряжения, используя нелинейный эффект Cgs. Чтобы найти оптимальное согласование входа для второй гармоники, выполняется моделирование истока для второй гармоники, как показано на рис. 16. Во время моделирования импеданс источника основной гармоники сопряженно согласуется, а согласования выходной нагрузки устанавливаются до состояния насыщенного усилителя. Моделирование натяжения источника для завершения второй гармоники показывает лишь незначительное влияние на эффективность, если согласование не находится в области серого цвета.Этот результат подтверждает, что форма волны выходного напряжения в основном формируется нелинейным выходным конденсатором. На рис. 17 показаны смоделированные формы сигналов V gs и Vds для импеданса второй гармоники в отмеченных точках на диаграмме Смита на рис. 16. За исключением точек, отмеченных A и C, формы сигналов V gs очень похожи из-за к генерации гармонического напряжения Cgs. Не только для этих точек, почти области диаграммы Смита, за исключением части, окрашенной в серый цвет, обеспечивают аналогичные формы волны V gs .Для точки, отмеченной буквой А, из-за короткого замыкания по второй гармонике представлено синусоидальное напряжение. Несмотря на разные формы сигналов V gs , выходные напряжения на стоке имеют аналогичную форму. Эти формы сигналов ясно показывают, что на форму выходного напряжения не сильно влияет генерация гармоник Cgs при рассмотрении нелинейных C ds . Однако, несмотря на то, что большинство областей обеспечивают одинаковые характеристики, выходная мощность и эффективность ухудшаются, когда импеданс источника для второй гармоники находится в области, окрашенной в серый цвет.В этой области угол проводимости тока стока уменьшается, что приводит к низкой выходной мощности и КПД. Поэтому в данной работе входное окончание для второй гармоники настроено на короткое замыкание.

Рис. 18. (a) Смоделированные формы сигналов напряжения во временной области насыщенного усилителя и УМ класса B. (b) Траектории импеданса нагрузки основной гармоники и второй гармоники насыщенного усилителя и УМ класса B в зависимости от уровней мощности. Рис. 19. Симулированное сравнение коэффициента усиления и эффективности между усилителем с насыщенным усилителем мощности и усилителем класса B.

На рис. 18 показана смоделированная форма волны напряжения во временной области, а также траектории импеданса нагрузки основной гармоники и второй гармоники в зависимости от уровня мощности. Как и в моделировании, проведенном в разделе II-D, полусинусоидальная форма волны напряжения достигается на высоком уровне мощности, когда большое количество второй гармоники генерируется нелинейным C out , так что импеданс второй гармоники остается в пределах область отрицательного сопротивления. Для сравнения, усилитель класса B также моделируется с использованием того же устройства.Для обеспечения синусоидальной формы волны напряжения все гармоники замыкаются накоротко. Кроме того, импеданс основной нагрузки усилителя мощности класса B установлен на уровне 36,5 Ом при максимальном уровне мощности, чтобы обеспечить полный размах форм напряжения и тока. На рис. 19 показано сравнение смоделированного коэффициента усиления и эффективности между усилителем с насыщенным усилителем мощности и усилителем класса B. Поскольку импеданс нагрузки насыщенного усилителя мощности больше, чем у усилителя класса B, насыщенный усилитель обеспечивает более высокий коэффициент усиления, чем усилитель класса B, в области малой мощности.На высоком уровне мощности, по сравнению с усилителем класса B, насыщенный усилитель мощности обеспечивает более высокую эффективность при сравнимой выходной мощности, что является результатом манипуляции второй гармоникой, вызванной нелинейным C out . В частности, максимальная эффективность насыщенного ПА составляет 81,5%, что соответствует улучшению на 9,3%.

Рис. 20. Фотография (а) и принципиальная схема реализованного УМ (б).

На рис. 20(а) представлена ​​фотография спроектированного УМ, реализованного на подложке Taconic TLY-5 с εr = 2.2 и толщиной 31 мил. Подробные размеры микрополоска показаны на рис. 20 (б). В эксперименте смещение затвора установлено равным –3,1 В (I ds Q = 94 мА) при подаваемом на стоке напряжении 30 В. В отличие от обычных высокоэффективных УМ, в усилителе не используется какая-либо специальная схема гармонической нагрузки. выходное соответствие. Смоделированная и измеренная выходная мощность, эффективность и характеристики усиления для сигнала CW хорошо согласованы, как показано на рис. 21. В частности, реализованный УМ обеспечивает максимальное значение PAE, равное 77.3% при насыщенной выходной мощности 40,6 дБм (11,5 Вт). На рис. 22 показаны измеренные коэффициент утечки по соседнему каналу (ACLR) и PAE для сигнала LTE с PAPR 6,6 дБ и шириной полосы сигнала 10 МГц. Предлагаемый УМ обеспечивает PAE 42,3% и усиление мощности 21 дБ при средней выходной мощности 34,2 дБм (2,6 Вт). Для проверки потенциала предлагаемого УМ в качестве основного блока линейного усилителя мощности (ЛПУ) проводится линеаризация УМ с использованием метода предыскажений с цифровой обратной связью (DPBPD) [28].На рис. 23 показаны измеренные выходные спектры до и после линеаризации. ACLR при смещении 7,5 МГц составляет –45,1 дБн, что является улучшением на 23 дБ при средней выходной мощности 34,2 дБм (2,6 Вт). Результаты линеаризации приведены в таблице II. Эти экспериментальные результаты ясно показывают, что предложенный усилитель с насыщением может обеспечить превосходный КПД без какой-либо специальной схемы гармонической нагрузки. Более того, благодаря применению метода линеаризации он хорошо подходит для использования в качестве высокоэффективного главного усилителя LPA в передатчике LTE.

Сравнение производительности разработанных УМ с современными результатами для высокой эффективности приведено в Таблице III. Сравнение показывает превосходную производительность насыщенного усилителя мощности, оптимизированного усилителя класса J без каких-либо схем управления гармониками.

IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Принципы работы усилителей класса J с линейными и нелинейными C out проанализированы с использованием простой модели транзистора в симуляторе ADS. Характеристики усилителя мощности класса J с линейным C из сравнимы с характеристиками обычного усилителя класса B.Тем не менее, благодаря свойству генерации гармоник нелинейного C out , полусинусоидальная форма волны напряжения может иметь правильную форму, в то время как перекрытие фаз между компонентами напряжения и тока уменьшается ниже 45 ◦ . Это позволяет улучшить КПД по сравнению с усилителем класса J с линейным выходом C из . Дальнейшая оптимизация усилителя может быть осуществлена ​​путем доведения разности фаз до нуля с использованием чисто резистивного импеданса основной нагрузки.Он минимизирует рассеиваемую мощность, вызванную параллельными ненулевыми напряжением и током, сохраняя при этом полусинусоидальную форму волны напряжения. Поскольку формирование напряжения достигается нелинейным C из , усилия по управлению гармоническими составляющими не нужны. Если импеданс внешней гармонической нагрузки больше, чем уровень конденсатора, получается высокоэффективная форма волны напряжения. Это подтверждается моделированием ADS с использованием как идеальной, так и реальной модели транзистора.Это оптимизированная версия усилителя мощности класса J, который является насыщенным усилителем мощности, о котором мы сообщали. Высокоэффективный насыщенный усилитель реализован с использованием устройства Cree GaN HEMT CGh50010 на частоте 2,14 ГГц. Он обеспечивает PAE 77,3% и насыщенную выходную мощность 40,6 дБм (11,5 Вт) без какой-либо специальной схемы гармонической нагрузки.

Рис. 21. Смоделированная и измеренная (а) выходная мощность, (б) КПД и характеристики усиления для немодулированного сигнала. Рис. 22. Измеренные характеристики ACLR и PAE для сигнала LTE. Рис. 23. Выходные спектры до и после линеаризации с помощью DFBPD.

Авторы хотели бы поблагодарить Cree Inc. за предоставление транзисторов GaN HEMT и моделей, использованных в этой работе.

[1] F.H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P.B. Kenington, Z.B. Popovic, N. Pothecary, J.F. Sevic, and N.O. Sokal, «Усилители мощности и передатчики для радиочастот и микроволн», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 50, нет. 3, стр. 814–826, март 2002 г.

[2] Дж. Чой, Д. Канг, Д. Ким, Дж. Пак, Б. Джин и Б. Ким, «Усилители мощности и передатчики для следующего поколения». мобильный телефон», Дж.Полуконд. Технол. наук, вып. 9, нет. 4, стр. 249–256, декабрь 2009 г.

[3] S. C. Cripps, RF Power Amplifiers for Wireless Communications, 2nd Edition, Norwood, MA: Artech House, 2006.

[4] FH Raab, «Class- F усилителей мощности с максимально плоской формой волны», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 45, нет. 11, стр. 2007–2012, ноябрь 1997 г.

[5] С. Гао, «Высокоэффективные ВЧ/СВЧ усилители мощности класса F», IEEE Microw. Маг., вып. 7, нет. 1, стр. 40–48, февраль 2006 г.

[6] Ю.Y. Woo, Y. Yang, and B. Kim, «Анализ и эксперименты для высокоэффективных усилителей мощности класса F и обратного класса F», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 54, нет. 5, стр. 1969–1974, май 2006 г.

[7] Н. О. Сокаль и А. Д. Сокаль, «Класс-E: новый класс высокоэффективных настроенных несимметричных импульсных усилителей мощности», IEEE J. Solid-State Circuits , том. SC-10, стр. 168–176, июнь 1975 г.

[8] Ф. Х. Рааб, «Идеальная работа настроенного усилителя мощности класса Е», IEEE Trans. Цепи Сист., том. 24, нет. 12, pp. 725–735, Dec. 1977.

[9] S. C. Cripps, P.J. Tasker, A.L. Clarke, J. Lees, and J. Benedikt, “On Continuous of high Efficiency Modes in linear RF Power Amplifiers”, IEEE Микров. Беспроводной компонент. Лет., т. 19, нет. 10, стр. 665–667, октябрь 2009 г.

[10] П. Колантонио, Ф. Джаннини, Г. Леуцци и Э. Лимити, «Высокоэффективный низковольтный усилитель мощности с манипуляцией второй гармоникой», Междунар. Дж. РФ Микроу. Comput.-Aided Eng., vol. 10, нет. 1, стр. 19–32, 2000.

[11] ——, «Подход класса G для проектирования высокоэффективных усилителей мощности», Int. Дж. РФ Микроу. Comput.-Aided Eng., vol. 10, нет. 6, стр. 366–378, 2000.

[12] ——, «Мультигармоническая манипуляция для высокоэффективных усилителей мощности СВЧ», Int. Дж. РФ Микроу. Comput.-Aided Eng., vol. 11, нет. 6, pp. 366–384, 2001.

. [13] P. Wright, J. Lees, J. Benedikt, P. J. Tasker, and S. C. Cripps, «Методология реализации высокой эффективности класса J в линейных и широкополосных усилителях мощности». », IEEE Trans. Микров.Теория и техника, вып. 57, нет. 12, стр. 3196–3204, декабрь 2009 г.

[14] ——, «Эффективный, линейный, широкополосный усилитель мощности класса J, реализованный с использованием радиочастотных волн», в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Dig., июнь 2009 г., стр. 653–656.

[15] H. Nemati, C. Fager, M. Thorsell и H. Zirath, «Высокоэффективный LDMOS-усилитель мощности на частоте 1 ГГц с использованием оптимизированной модели транзистора», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 57, нет. 7, стр. 1647–1954, июль 2009 г.

[16] Y. Yang, Y. Y. Woo, J.Йи и Б. Ким, «Новая эмпирическая модель больших сигналов Si LDMOSFET для проектирования мощных усилителей», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 49, нет. 9, стр. 1626–1633, сентябрь 2001 г.

[17] Р. Пенгелли, Б. Миллион, Д. Фаррелл, Б. Приббл и С. Вуд, «Применение нелинейных моделей в ряде сложных задач». Конструкция усилителя мощности GaN HEMT», в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Dig., июнь 2008 г., [CD-ROM].

[18] М. Дж. Чудобяк, «Использование паразитных нелинейных конденсаторов в усилителях класса Е», IEEE Trans.Цепи Сист. я, том. 41, нет. 12, pp. 941–944, Dec. 1994.

[19] T. Suetsugu, M.K. Kazimierczuk, «Сравнение усилителя класса E с нелинейной и линейной шунтирующей емкостью», IEEE Trans. Цепи Сист. я, том. 50, нет. 8, стр. 1089–1097, август 2003 г.

[20] А. Медиано, П. Молина и Дж. Наварро, «Усилитель мощности ВЧ/СВЧ класса E: линейный «эквивалент» нелинейной выходной емкости транзистора, нормированный конструкция и максимальная рабочая частота в зависимости от выходной емкости», в IEEE MTT-S Int.Микров. Симп. Dig., июнь 2000 г., стр. 783–786.

[21] А. Медиано, П. М. Гаудо и К. Бернал, «Проектирование усилителя класса Е с нелинейными и линейными шунтирующими емкостями для любого рабочего цикла», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 55, нет. 3, стр. 484–492, март 2007 г.

[22] М. К. Казимерчук и В. А. Табиш, «Высокоэффективный регулируемый усилитель мощности класса CE», IEEE Trans. Схемы сист., вып. 36, нет. 3, pp. 421–428, Mar. 1989.

[23] H.L. Krauss, C.W. Bostian, and F.H. Raab, Solid State Radio Engineering, New York: Wiley, 1980.

[24] Б. Ким, Дж. Мун и Дж. Ким, «Высокоэффективный усилитель мощности с насыщением, поддерживаемый нелинейным выходным конденсатором», в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Копать землю. Workshop, May 2010.

[25] Дж. Ким, Дж. Ким, Дж. Мун, Дж. Сон, И. Ким, С. Джи и Б. Ким, «Усилитель мощности с насыщением, оптимизированный для повышения эффективности с использованием гармонический ток и напряжение», IEEE Trans. Микров. Theory Tech., представленной для публикации.

[26] П. М. Уайт, «Влияние согласования входных гармоник на работу высокоэффективных устройств класса B и класса F устройств PHEMT», в IEEE MTT-S Int.Микров. Симп. Dig., июнь 1998 г., стр. 1611–1614.

[27] С. Ватанабэ, С. Такатука и К. Такаги, «Моделирование и экспериментальные результаты гармонической настройки источника на линейность мощного GaAs полевого транзистора при работе класса AB», в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Dig., июнь 1996 г., стр. 1771–1774.

[28] Ю. Ю. Ву, Дж. Ким, Дж. Йи, С. Хонг, И. Ким, Дж. Мун и Б. Ким, «Метод адаптивного цифрового предыскажения с обратной связью для линеаризации усилителя мощности», IEEE Trans. Микров. Теория и техника, вып. 55, нет.5, стр. 932–940, май 2007 г.

[29] Н. Уи и С. Сано, «Эффективность стока 45%, –50 дБн усилитель ACLR GaN HEMT класса E с DPD для базовой станции W-CDMA, в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Dig., июнь 2006 г., стр. 718–721.

[30] HG Bae, R. Negra, S. Boumaiza, and F.M. Ghannouchi, «Высокоэффективный усилитель мощности GaN класса E с компактной сетью подавления гармоник», в Proc. 37-я Европейская выставка IEEE. Микров. конф., октябрь 2007 г., стр. 1093–1096.

[31] Д. Шмельцер и С. И. Лонг, «Усилитель GaN HEMT класса F на частоте 2 ГГц с > 80% PAE», IEEE J.Твердотельные схемы, том. 42, нет. 10, стр. 2130–2136, октябрь 2007 г.

[32] П. Райт, А. Шейх, К. Рофф, П. Дж. Таскер и Дж. Бенедикт, «Высокоэффективные режимы работы в силовых транзисторах GaN, обеспечивающие более 81 % эффективности и выходной мощности 12 Вт», в IEEE MTT-S Int. Микров. Симп. Dig., июнь 2008 г., стр. 1147–1150.

[33] С. Бенсмида, О. Хамми и Ф. М. Ганнуши, «Высокоэффективный цифровой линеаризованный усилитель мощности на основе GaN для приложений 3G», в Proc. 2008 IEEE Radio and Wireless Symp., январь 2008 г., стр. 419–422.

[34] М. П. ван дер Хейден, М. Акар и Дж. Вроманс, «Компактный 12-ваттный высокоэффективный усилитель мощности GaN HEMT класса E 2,1–2,7 ГГц для базовых станций», в IEEE MTT-S Int. . Микров. Симп. Dig., июнь 2009 г., стр. 657–660.

Junghwan Moon (S’07) получил B.S. получил степень в области электротехники и вычислительной техники в Университете Сеула, Сеул, Корея, в 2006 году и в настоящее время работает над получением степени доктора философии. степень в Пхоханском университете науки и технологий (POSTECH), Пхохан, Кёнбук, Корея.

В настоящее время его исследовательские интересы включают высоколинейные и эффективные конструкции ВЧ-усилителей, методы компенсации эффекта памяти, методы цифрового предыскажения (DPD) и проектирование широкополосных ВЧ-усилителей.

Г-н Мун получил награду за наивысшую эффективность на конкурсе студенческих высокоэффективных усилителей мощности на Международном микроволновом симпозиуме (IMS) IEEE MTT-S, 2008 г. степень в области электротехники в Университете Хан-Янг, Ансан, Корея, в 2007 году, и степень магистра в области электротехники в Пхоханском университете науки и технологий (POSTECH), Пхохан, Кёнбук, Корея, в 2009 году.В настоящее время он работает над докторской степенью. степень в POSTECH, Pohang, Gyungbuk, Корея.

В настоящее время его исследовательские интересы включают разработку ВЧ-усилителя мощности и модулятора питания для высокоэффективной системы передатчика.

Бумман Ким (M’78-SM’97-F’07) получил степень доктора философии. получил степень в области электротехники в Университете Карнеги-Меллона, Питтсбург, Пенсильвания, в 1979 году.

С 1978 по 1981 год он занимался исследованиями компонентов оптоволоконных сетей в GTE Laboratories Inc.В 1981 году он присоединился к Центральным исследовательским лабораториям Texas Instruments Incorporated, где участвовал в разработке мощных полевых транзисторов (FET) на основе GaAs и монолитных микроволновых интегральных схем (MMIC). Он разработал модель мощного полевого транзистора с большим сигналом, полевых транзисторов с двойным затвором для регулировки усиления, мощных распределенных усилителей и различных MMIC миллиметрового диапазона. В 1989 году он поступил в Пхоханский университет науки и технологий (POSTECH), Пхохан, Кёнбук, Корея, где он является научным сотрудником POSTECH и профессором Namko на кафедре электротехники, а также директором Исследовательского центра микроволновых приложений, где он занимается разработкой устройств и схем для радиочастотных интегральных схем (RFIC).Он является автором более 300 технических статей.

Профессор Ким является членом Корейской академии наук и технологий и Национальной инженерной академии Кореи. Он был младшим редактором IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, заслуженным лектором IEEE Microwave Theory and Techniques Society (IEEE MTT-S) и членом AdCom.

Copyright © 2010 IEEE. Перепечатано из IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 58, НЕТ. 11, PP 2800-2811, НОЯБРЬ 2010

Этот материал размещен здесь с разрешения IEEE.Такое разрешение IEEE никоим образом не означает одобрения IEEE каких-либо продуктов или услуг Cree. Внутреннее или личное использование этого материала разрешено. Однако разрешение на перепечатку/перепубликацию этого материала в рекламных или рекламных целях или для создания новых коллективных работ для перепродажи или распространения необходимо получить в IEEE, написав по адресу [email protected] Выбирая просмотр этого документа, вы соглашаетесь с все положения законов об авторском праве, защищающих его.

Amp FAQ: Что такое классы ламповых усилителей? | Гитара.com

Привет, Крис, я рассматриваю возможность покупки нового усилителя, и в рекламе говорится, что это «Класс А». Что это значит?

— Скотт, Барнсли

Крис Фантана: Привет, Скотт, отличный вопрос! Определенно существует много путаницы в отношении классов усилителей и того, что они значат для конечного пользователя.

Выходной каскад усилителя может работать по-разному, с использованием различных методов. Мы используем систему классов, чтобы дать общее представление о характеристиках и производительности усилителя.Эти классы, которых всего девять, связаны с периодом времени, в течение которого усилитель пропускает ток. Это выражается как часть формы сигнала, подаваемого на вход. Некоторые классы содержат подклассы, обычно обозначаемые суффиксом.

Девять основных классов: A, AB, B, C, D, E, F, G и H. Любителям ламповых усилителей гитаристам действительно нужно позаботиться только о трех из этих классов: A, AB и Б.

Класс А

Выходные клапаны этого класса работают 100 % времени.Синусоиду можно рассматривать как вид сбоку на спиральную пружину — посмотрите на вибрирующую гитарную струну на своей гитаре, чтобы понять, что я имею в виду — мы говорим, что угол проводимости составляет 360 градусов.

Поскольку эти клапаны работают 100 процентов времени, они не отдыхают, поэтому они на самом деле довольно неэффективны. Их максимальная теоретическая эффективность составляет всего 25 процентов, поэтому усилители класса А не производят очень большой мощности. Преимущество этой конструкции заключается в том, что схемы могут быть относительно просты в сборке и обслуживании, обеспечивая при этом лучшие характеристики на средних и высоких частотах.

Если мы возьмем пару EL34 в качестве примера, в классе A вы сможете производить около 20 Вт среднеквадратичной мощности.

Класс В

Вероятно, вы не встретите гитарный усилитель класса B, но нам все равно нужно понять, что это такое. В этом классе каждый выходной клапан проводит ровно половину входного сигнала, поэтому угол проводимости составляет 180 градусов. Один клапан будет проводить положительную половину, а другой — отрицательную.

Поскольку теперь у нас есть 180-градусный период отдыха для каждого клапана между событиями проводимости, мы можем использовать это для охлаждения клапана и, следовательно, сильнее нажимать на него, когда он проводит.Усилитель класса B может быть намного более эффективным, чем усилитель класса A, с максимальной эффективностью более 75 процентов. Вы можете получить большую мощность, работая в классе B, но, как и у любого другого класса, у него есть недостатки. При использовании на гитаре усилитель класса B не будет звучать очень музыкально из-за странного баланса как четных, так и нечетных гармоник при перегрузке.

В классе B наша пара EL34 сможет относительно легко производить около 80 Вт.

Брайан Мэй — один из самых известных пользователей Vox AC30.Часто называемый цепью класса A, AC30 работает в классе A в чистом состоянии, но быстро переходит в класс AB при даже незначительном нажатии

Класс АВ

Так что же такое класс AB? Как следует из названия, это смесь того и другого. В классе AB угол проводимости больше 180 градусов, но меньше 360 градусов. Разработчик схемы должен выбрать, где находится эта точка. Обычно в гитарном усилителе сигнал остается в районе класса А, где он усиливается с хорошей точностью, и приближается к классу АВ при более сильном усилии.Классическим примером этого является Vox AC30, который относится к классу A в чистом виде, но быстро переходит в класс AB при малейшем нажатии.

Почти каждый гитарный усилитель с несколькими выходными лампами будет работать в классе AB. Класс AB более эффективен, чем класс A, но менее эффективен, чем класс B. Нашим EL34 немного легче работать в классе AB, чем в классе B, с типичной выходной мощностью в диапазоне 35-50 Вт.

Итак, класс усилителя влияет на тембр? Потому что это то, что мы все хотим знать, верно? Ну да и нет.

Несмотря на то, что между классами существуют тональные различия, их легче всего обнаружить в приложении Hi-Fi, тогда как в наших низкокачественных гитарных усилителях это меньше. Видите ли, даже самый чистый гитарный сигнал легко искажается сильнее, чем в Hi-Fi. Для справки, Hi-Fi считается «чистым» до искажения примерно до 0,5%, хотя современные устройства никогда не превышают 0,1%. Наши гитарные усилители, с другой стороны, редко опускаются ниже 1%, а некоторые производители считают 10% чистой работой.Если вы хотите узнать, как на самом деле звучит ваш чистый гитарный сигнал, подключите его к современному басовому усилителю — вы сразу же заметите недостающие гармоники и обертоны, генерируемые вашим гитарным усилителем.

В гитарном усилителе есть и другие особенности, которые влияют на звук гораздо сильнее, чем это когда-либо могло бы быть в этом классе, например, тональный стек или метод смещения выходных ламп, так что с точки зрения исполнителя это можно считать незначительным. С точки зрения дизайнера, это основа, на которой строится вся ваша схема.

Используете систему классов для продвижения и продажи ваших усилителей? Ну, это просто… маркетинг.

Посетите riftamps.com, чтобы узнать больше об ассортименте бутик-усилителей Rift, произведенных в Великобритании.

Классы усилителя

— LinnDocs Классы усилителя

— LinnDocs

Из LinnDocs

Класс А-В

Комбинация усилителей классов A и B
Класс A : имеет большой транзистор , который постоянно включен.Эти усилители линейны, но не очень энергоэффективны (может достигать 30%) и выделяют много тепла. То есть, если бы у вас был динамик мощностью 30 Вт, в худшем случае 70 Вт мощности усилителя были бы использованы ВНУТРИ усилителя, эта энергия выводится в виде тепла). Даже если сигнала нет, то есть значительная слабая мощность.
Класс B : имеет два больших транзистора в двухтактной схеме . Они более эффективны, обычно 50-60%, но не настолько линейны и производят искажение перехода через нуль .
Класс A-B объединяет эти классы, но сохраняет более эффективную обработку мощности, обычно 50-60% эффективности, и добавляет смещение к удаляет искажение перехода через нуль и сохраняет линейный сигнал.
В усилителях Linn обычно минусовая клемма усилителя соединена с землей, и только положительная клемма изменяет напряжение.
Другими словами:
Класс A : Звучит хорошо, но постоянно потребляет много энергии
Класс B : Звучит нормально, но потребляет не намного меньше энергии, чем Class-A.
Класс A-B : Звучит хорошо, но не бьет по счетам за электроэнергию.

Чакра класса

В конструкции усилителя Chakra используется массив больших транзисторов в качестве «усилителей» вокруг интегральной схемы с одним чипом. Когда выходной ток меньше нескольких ампер, вся выходная мощность поступает от схемы с одним чипом, что обеспечивает максимальную скорость и линейные свойства этой конструкции. При более высоких выходных токах транзисторы обеспечивают большую часть выходного тока, позволяя интегральной схеме работать в пределах своих возможностей и мгновенно исправлять любую ошибку.
Очень компактная конструкция, уменьшающая площадь цепи и длину пути прохождения сигнала, а также высокоэффективная, выделяющая гораздо меньше тепла, чем традиционные конструкции.
Технический документ Linn Power Amplifier Chakra
Некоторые продуктов Linn, включенных в этот класс:
Усилители мощности Majik
Усилители мощности Akurate
Усилители мощности Klimax

Класс D

Это НЕ цифровой усилитель.В усилителе класса D используются очень быстродействующие переключатели для подачи всего напряжения источника питания с минимальными потерями мощности в виде последовательности импульсов на выход, где фильтр усредняет импульсы перед клеммами громкоговорителя. Частота, плотность и скважность этих импульсов определяют среднее выходное напряжение. Он предназначен для индуктивной / емкостной нагрузки стандартного громкоговорителя с катушкой и имеет эффективность выше 85% (например, 85 Вт на динамик, 15% используется в усилителе, намного меньше тепла, чем класс-A).
Так как усилитель зависит от индуктивной/емкостной нагрузки, обычная нагрузка электростатических громкоговорителей может привести к плохой нестабильности звучания. Обратитесь к производителю динамиков за любыми решениями.
В усилителях Linn, использующих усилитель Class-D , выходы шунтированы , то есть как КРАСНЫЙ, так и ЧЕРНЫЙ выходные клеммы динамика изменяют напряжение.
  • В качестве меры предосторожности НЕ подключайте и не отключайте ничего от выходных клемм усилителя , ЕСЛИ усилитель не находится в режиме ожидания/сна
  • Если вы планируете использовать усилитель сабвуфера, который использует выходные клеммы усилителя мощности, убедитесь, что сабвуфер настроен для мостовых усилителей .
Продукция Linn, включенная в этот класс:
Селект_DSM
Majik DSM (вариант 2020 г.)

Усилитель какого класса лучше?

То, что усилитель является важной частью вашей аудиосистемы, вероятно, не является чем-то новым. Существует много различных типов усилителей. Каждый тип имеет свои свойства и предназначен для определенного типа устройств.Также можно выделить разные классы. В этой статье мы сначала кратко обсудим, что такое усилитель, а затем ответим на вопрос «усилитель какого класса лучше?»

ЧТО ТАКОЕ УСИЛИТЕЛЬ?

Как следует из названия, усилитель усиливает сигнал от источника. Обычно он недостаточно силен для воспроизведения через динамики. Усилитель может быть классической HiFi-частью. А также, например, гораздо более сложный AV-ресивер. Вы найдете усилители повсюду, большие и маленькие.Скорее всего, в данный момент усилитель лежит у вас в кармане или даже держите его в руке.

Многие устройства имеют встроенный усилитель, например динамики вашего компьютера. Это можно узнать по тому, что на динамике есть кнопка громкости. Однако, если у вас есть высококачественные динамики, вы, естественно, захотите, чтобы они воспроизводили весь ваш звук: проигрыватель, игровую приставку, телевизор и так далее. Кроме того, что не все эти устройства подходят для прямого воспроизведения, постоянно отключать и менять устройство неудобно.Предусилитель или интегральный усилитель решают эти проблемы.

ЕСТЬ ЛИ РАЗЛИЧИЯ МЕЖДУ УСИЛИТЕЛЯМИ?

Усилители

имеют одну функцию: усиливать звуковой сигнал. Тем не менее, они доступны в разных размерах и с разным качеством. Это необходимо, потому что усилители используются во всевозможных устройствах. Например, сигнал в качественном динамике сильно отличается от сигнала в некоторых наушниках. И мобильный телефон должен воспроизводить звук как через встроенные динамики, так и через наушники.Существуют различные типы усилителей для всех этих различных требований. Чтобы получить хорошее представление о различиях, мы обсудим основные типы.

Большинство акустических систем содержат усилитель мощности в сочетании с предварительным усилителем . Усилитель мощности находится в конце цепочки, прямо перед динамиками. Однако просто пользоваться этими усилителями нельзя: отсутствует регулятор громкости. Поэтому он комбинируется с отдельным предусилителем. Здесь есть все, чего не хватает усилителю мощности: аналоговые входы, регулятор громкости, любая дополнительная обработка и, возможно, цифровые входы и потоковая передача.Внутри усилителей мощности можно выделить разные классы.

Часто выбирают интегральный усилитель . Они выполняют функции как предусилителя, так и усилителя мощности. Преимущество этого усилителя заключается в том, что к нему могут быть добавлены всевозможные устройства ввода, такие как проигрыватель компакт-дисков, телевизор и другие устройства с выводом звука (ЦАП, потоковое воспроизведение и другие функции).

Если вам больше нравится старый знакомый винил, то, скорее всего, вы используете фонокорректор дома.У него только одна цель: усилить слабый сигнал проигрывателя, чтобы его можно было воспроизвести. Многие предусилители и интегральные усилители также имеют фоно-вход, поэтому он не нужен всем. Как упоминалось ранее, к наушникам предъявляются другие требования, чем к динамикам. Поэтому для этих продуктов был изготовлен специальный усилитель для наушников .

Музыка настолько детальная, прозрачная и динамичная, что вы не замечаете никакой разницы с живой музыкой? Наши революционные сверхбыстрые мембранные модули способны воспроизводить 99,5% всех частот в диапазоне от 20 до 24.000 Гц. Совершенно новый способ восприятия музыки.

ПОЧЕМУ РАЗНЫЕ КЛАССЫ УСИЛИТЕЛЕЙ?

Если вы когда-либо собирали систему самостоятельно, то наверняка знаете, что усилители бывают разных классов. Класс А, В, АВ и так далее. Они просто указывают, какой метод используется для усиления слабого сигнала, чтобы он мог выходить из динамиков. Обычный источник, такой как проигрыватель Blu-ray или проигрыватель, дает слишком слабый сигнал для прямого воспроизведения через динамики.Звук — это не что иное, как вибрация, и вашим динамикам нужна мощность, чтобы вибрировать. Чем громче музыка, тем больше воздуха нужно привести в движение, тем больше энергии требуется.

В мире HiFi много говорят об усилителях классов A и D. В домашнем кинотеатре это менее заметно. Здесь вы в основном видите усилители класса AB или класса D. Мы обсудим самые важные классы для мира Hifi.

КЛАСС А – ЧИСТЫЙ

В целом, усилители класса А обеспечивают наилучшие результаты.Не слишком углубляясь в технические детали, мы хотели бы отослать вас к этому, мы можем сказать, что усилитель класса А обеспечивает идеальную линейную обработку. Это означает, что входной сигнал отлично усиливается во всех точках до большей мощности.

Почему не все выбирают этот класс? Потому что у них есть большой недостаток. Это совершенное усиление возможно только при постоянном включении партии, даже если нечего или почти нечего усиливать с точки зрения звука.Усилитель класса А, который забыли выключить, потребляет столько же энергии, сколько и усилитель под большой нагрузкой. Кроме того, эти усилители крайне неэффективны. Примерно от 70 до 90 процентов потребляемой электроэнергии преобразуется в тепло. Если вам нравится слушать музыку при мощности 100 Вт на канал, то вы используете около 1000 Вт электроэнергии на канал. Когда вы используете стерео, это будет удвоено, так как вы используете два канала.

КЛАСС В – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

Была предпринята попытка решить основную проблему усилителей класса A с помощью усилителей класса B.В выходном каскаде используется небольшой стабилизатор, который значительно охлаждает усилитель. В усилителях этого типа звуковой сигнал разделяется на отрицательную и положительную полуволны. Каждая из этих полуволн идет на свой транзистор и там усиливается. Поскольку положительная полуволна и вторая полуволна генерируются двумя разными электронными частями, их необходимо объединить, чтобы сформировать исходную полную синусоидальную волну. Точка пересечения при 0 Вольт вызывает проблемы из-за сложности сопоставления этих двух волн: сигнал будет искажен.Это то, что мы называем перекрестным искажением . Такой усилитель немыслим для high-end сегмента. На практике они в основном используются, когда нужно усилить только речь, например, в мегафоне.

КЛАСС AB – ГИБКИЙ

Класс AB был разработан как временное решение. У этих усилителей выходной каскад переключается на класс А при относительно малой мощности. Когда требуется больше мощности, он переключается на класс B. Таким образом, температура остается приятной, а выход увеличивается.В то время как усилители класса А быстро стареют из-за сильной жары, для класса АВ этот показатель остается в пределах. На практике вы обнаружите, что при нормальном уровне прослушивания большую часть времени вы слушаете в классе А. Класс B для запаса высоты.

КЛАСС D – ЦИФРОВОЙ?

Следующим логическим шагом был бы класс C. Классы C, E и F используются в технике радиопередачи. Следовательно, следующая буква в алфавите — «Д». Усилители, работающие по так называемому принципу переключения, относятся к классу D.Также известен как режим переключения или ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Из-за существования цифровых усилителей часто думают, что буква «D» означает «цифровой». Однако усилитель класса D — это не что иное, как импульсный аналоговый усилитель. Это переключение осуществляется с помощью элемента управления, работающего на основе поступающего сигнала. Это управление может быть цифровым, что может сбивать с толку.

Усилители

класса D все чаще используются в высококачественном аудио. Благодаря сверхбыстрому переключению эти усилители чрезвычайно практичны.Если усилитель класса А имеет КПД всего от 10 до 30 процентов, то в классе D этот показатель увеличивается до 90 или даже 95 процентов. Это значит, что эти усилители не греются и размеры могут оставаться небольшими. Именно то, что нужно для AV-ресивера и телевизионных аудиоустройств, таких как саундбары. Также с точки зрения производительности усилители класса D претерпели огромные изменения. Там, где усилители класса А традиционно обеспечивали наилучшие характеристики, в настоящее время практически нет никакой разницы.

Недостатком может быть то, что сложно правильно подобрать усилители класса D.Электропитание должно быть качественным, а после арматурного люка должны быть установлены фильтры для устранения высокочастотных помех, создаваемых управлением. Однако это не означает, что с усилителем класса D невозможно получить звук абсолютного качества. Это решение может увеличить цену, так что оно не зарезервировано для динамиков нижнего сегмента.

ХОРОШЕЕ ПИТАНИЕ

Многие люди выбирают усилитель класса D из-за эффективности и снижения затрат.Важно знать, что существуют разные качества усилителей класса D. Немаловажную роль в этом играет блок питания. Хороший усилитель стоит или падает вместе с блоком питания. Он должен быть достаточно мощным, но и стабильным. Конечно, вы хотите, чтобы взрыв в фильме выглядел реалистично.

Колонка Origin оснащена чрезвычайно эффективным и мощным усилителем класса D с использованием всех новейших технологий. Интересно, как это звучит? Приходите на прослушивание, и мы будем рады рассказать вам все об этом.

Выбор классов усилителей: вопрос эффективности — Блог | Аксиома Аудио

Вы задаетесь вопросом, как и я, почему мы решили разработать усилитель класса D вместо усилителя класса A/B, который используется во многих традиционных продуктах на рынке? Какая разница между классами вообще? Я надел шляпу репортера и отправился за новостями. Оказывается, все дело в эффективности.

Прежде всего: уроки

Невозможно понять, какой выбор перед нами, не разобравшись в разных классах усилителей.Мы обращаемся к нашему гуру, Алану Лоффту, который объясняет в другой статье на этом сайте под названием «Десять вещей, которые вы всегда хотели знать об усилителях»:

Какие бывают «классы» усилителей?

В конструкциях

класса A ток постоянно протекает через выходные транзисторы, даже если нет входящего аудиосигнала, поэтому выходные транзисторы всегда включены. Этот тип усилителя имеет самый низкий уровень искажений из всех, но он чрезвычайно расточительный и неэффективный, рассеивает 80% своей мощности в виде тепла с эффективностью всего 20%.

В усилителях класса B

используются выходные транзисторы, которые включаются и выключаются, при этом одно устройство усиливает положительную часть сигнала, а другое — отрицательную. Если нет входящего звукового сигнала, то ток через выходные транзисторы не течет. Следовательно, усилители класса B намного более эффективны (от 50% до 70%), чем усилители класса A, однако возможны нелинейные искажения , которые возникают, когда один набор транзисторов выключается, а другой набор включается.

Усилители

класса A/B сочетают в себе достоинства конструкций класса A и класса B, поскольку одно выходное устройство остается включенным немного дольше, в то время как другое устройство берет на себя усиление другой половины звуковой волны. Другими словами, в кроссоверной части каждого выходного устройства постоянно присутствует небольшой ток, что устраняет потенциальное искажение при переключении чисто класса B . КПД усилителя класса A/B по-прежнему составляет около 50%.

Усилители

класса D, несмотря на то, что существует ряд различных конструктивных вариантов, по сути представляют собой импульсные усилители или конструкции с широтно-импульсным модулятором (ШИМ).Входящий аналоговый аудиосигнал используется для модуляции очень высокочастотной ШИМ-несущей, которая либо полностью включает, либо выключает выходной каскад. Эта сверхвысокочастотная несущая должна быть удалена из аудиовыхода с помощью восстановительного фильтра, чтобы не осталось компонентов переключения сверхвысоких частот, которые могут исказить аудиосигналы. Как упоминалось ранее, конструкции класса D чрезвычайно эффективны, обычно в диапазоне от 85% до 90% и более.

Как они работают?

При рассмотрении различных конструкций усилителей необходимо учитывать режимы, в которых могут работать транзисторы.Когда транзистор работает как переключатель, он либо полностью закрыт (отсечка), либо полностью включен (насыщение). Когда транзистор находится в любом из этих состояний, он очень эффективен — в транзисторе почти нет потерь. Но если он работает в усилителе класса A/B в прямом активном режиме, транзистор всегда проводит ток, даже когда нет аудиосигнала. Для этого наиболее распространенного типа усилителей выходные транзисторы практически всегда используются, и поэтому отдают энергию для нагрева .Чем больше ток течет и чем больше мощность поступает на усилитель, тем больше выделяется тепла.

В усилителе класса D транзисторы никогда не используются в активном режиме, как в усилителе класса A/B. Они используются в режиме переключения, когда они всегда полностью выключены или полностью включены. Это означает, что теоретически вы можете получить почти 100% эффективность, потому что потери очень малы.

Проблема в том, как включить и выключить транзистор или пару транзисторов, чтобы создать синусоиду? Просто включив и выключив их, вы получите прямоугольную волну.Но если вы посмотрите на синусоиду, то увидите, что она постепенно идет от нуля к положительному, затем обратно к нулю, затем постепенно становится все более и более отрицательным, а затем снова возвращается к нулю. Поэтому нам нужно заставить транзисторы создавать синусоидальную волну вместо прямоугольной. Как мы это делаем? Мы включаем и выключаем их с постоянной скоростью, от 300 000 до 400 000 раз в СЕКУНДУ.

Далее нам нужно каким-то образом заставить те транзисторы, которые включаются и выключаться на чрезвычайно высоких скоростях, воссоздавать синусоиду или музыкальный сигнал.Для этого мы используем метод широтно-импульсной модуляции или ШИМ.  Все, что нужно сделать, это посмотреть на входной сигнал — например, синусоидальную волну — и в зависимости от того, насколько положительным или отрицательным окажется сигнал, мы изменим, как долго транзисторы будут включены и выключены. Если на усилитель не поступает сигнал, волна ровная и ровная, как часы. Однако, когда мы посылаем сигнал, происходит то, что количество времени, в течение которого положительный или отрицательный транзистор находится во включенном состоянии, изменяется в зависимости от того, насколько положительным или отрицательным является входной сигнал.


Вот изображение, показывающее, как широтно-импульсная модуляция воспроизводит звук. Исходное изображение заимствовано с http://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-width_modulation и немного улучшено.

Давайте посмотрим на изображение справа. В верхней части вы можете увидеть синусоиду красного цвета. В нижней части изображения, фиолетовая серия прямоугольных секций, маленькие прямоугольники меняются таким образом, который идеально имитирует синусоиду. Затем мы используем эту ШИМ-модулированную версию аудиосигнала в качестве управляющего сигнала, который изменяет время включения и выключения выходных транзисторов.

Итак, теперь у нас есть сигнал на выходе усилителя, который содержит информацию о синусоиде, поступившей в усилитель. Затем мы применяем фильтр, чтобы избавиться от всего этого действительно высокочастотного материала, который происходит за пределами человеческого слуха (этот сигнал с быстрым переключением в 300-400 000 раз).

Несмотря на то, что выходной каскад не отслеживает входной сигнал напрямую, эти транзисторы всегда либо полностью закрыты, либо полностью открыты. Из-за этого они всегда работают в области максимальной эффективности, в отличие от традиционных усилителей.

По сути, мы просто используем устройства, производящие мощность, в области, где они намного эффективнее, и, следовательно, весь усилитель может быть более эффективным.  Он выделяет меньше тепла и потребляет меньше электроэнергии. В самом общем виде мы можем проиллюстрировать эффективность на примере потребления 100 Вт из настенной розетки. В усилителе класса A/B мы можем получить около 50 Вт от усилителя для подачи на динамик. Как вы знаете из уроков физики в старшей школе, остальные 50 ватт должны куда-то деваться, поэтому они становятся теплом.

С усилителем класса D вы вытягиваете 100 ватт из стены, а 90 ватт поступает на динамики. Важность этого выходит далеко за рамки очевидной экономии электроэнергии: это значительно увеличивает производительность вашей системы. Мы все стремимся к динамическим характеристикам без искажений, и способ добиться этого состоит в том, чтобы иметь достаточную мощность вашего усилителя для воспроизведения этих динамических пиков, которые требуют большой мощности в течение коротких периодов времени, без ограничения или ограничения.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.