Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F
Предложена методика построения и расчета выходной нагрузочной цепи для усилителя мощности класса F с добавлением третьей гармоники напряжения, которая позволяет скомпенсировать негативное влияние паразитных элементов транзистора на стоковый КПД усилителя. Такая цепь позволяет оптимизировать стоковый...
Saved in:
| Published in: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2014
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70534 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F / А.П. Ефимович, В.Г. Крыжановский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860239839469764608 |
|---|---|
| author | Ефимович, А.П. Крыжановский, В.Г. |
| author_facet | Ефимович, А.П. Крыжановский, В.Г. |
| citation_txt | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F / А.П. Ефимович, В.Г. Крыжановский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | Предложена методика построения и расчета выходной нагрузочной цепи для усилителя мощности класса F с добавлением третьей гармоники напряжения, которая позволяет скомпенсировать негативное влияние паразитных элементов транзистора на стоковый КПД усилителя. Такая цепь позволяет оптимизировать стоковый КПД усилителя с помощью независимой настройки импедансов на первой и третьей гармониках. Представлены результаты моделирования и экспериментального исследования энергетических характеристик такого усилителя на арсенид-галлиевом полевом транзисторе CLY15, рассчитанного на рабочую частоту 400 МГц.
Запропоновано методику побудови та розрахунку вихідного навантажувального кола для підсилювача потужності класу F з додаванням третьої гармоніки напруги, яка дозволяє компенсувати негативний вплив паразитних елементів транзистору на стоковий ККД підсилювача. Застосування запропонованого кола дозволяє здійснювати оптимізацію стокового ККД підсилювача за допомогою незалежних налаштувань імпедансів на першій та третій гармоніках. Представлено результати моделювання та експериментального дослідження енергетичних характеристик такого підсилювача на арсенід-галлієвому польовому транзисторі CLY15, розрахованого на робочу частоту 400 МГц.
The authors present a new method of construction and calculation of the output load circuit (OLC) for class F power amplifiers (PA) with the addition of the third harmonic of the voltage. This method allows compensating the negative influences of parasitic elements of transistor (output capacitance — COUT, and inductance — LOUT) on the drain efficiency of the amplifier. The circuit of the parasitic elements was considered as a part of the proposed OLC. To calculate the OLC a system of three algebraic equations was compiled. The system is solved numerically relative to the three parameters of the OLC, for which the impedance on a chip of the transistor (on COUT) for odd and even harmonics corresponds to the theory of class F PAs. This method is applicable for the calculation of the OLC, which is realized in the frequency range of 300—500 MHz, where the use of elements with lumped parameters only is not always possible, while using elements with distributed parameters leads to a substantial increase in the size of the whole amplifier. In the developed OLC, the authors used elements with both lumped and distributed parameters, thus achieving a compromise between the geometric dimensions and physical realizability of the circuit elements. The proposed OLC, taking into account the parasitic elements of the transistor, allows setting impedances independently at the first and third harmonics while maintaining impedance at the second harmonic tending to zero. This makes it possible to optimize the drain efficiency at a given level of output power. The efficiency hd = 72,5% was experimentally obtained at POUT = 1,045 W for the class F amplifier running at 400 MHz. The proposed methodology for constructing and calculating the OLC can be used to implement class F power amplifiers in the integrated-circuit form.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:28:48Z |
| format | Article |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
3
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
DOI: 10.15222/TKEA2014.1.03
А. П. ЕФИМОВИЧ, д. т. н. В. Г. КРЫЖАНОВСКИЙ
Уêðàèíà, Дîíåцêèé íàцèîíàëьíыé óíèâåðñèòåò
E-mail: efimovicha@mail.ru
КОМПЕНСАЦИЯ ПАРАЗИÒНЫХ ЭЛЕМЕНÒОВ
ÒРАНЗИСÒОРА С НАСÒРОЙКОЙ ИМПЕДАНСОВ
НА ГАРМОНИКАХ В УСИЛИÒЕЛЕ КЛАССА F
Òðàíзèñòîðíыå óñèëèòåëè êëàññà F ÿâëÿюòñÿ
шèðîêî âîñòðåбîâàííымè óñèëèòåëÿмè мîщíîñòè
(УМ), ïîñêîëьêó îíè îбëàдàюò âыñîêèмè ýíåð-
ãåòèчåñêèмè õàðàêòåðèñòèêàмè è мîãóò быòь ðå-
àëèзîâàíы â âыñîêîчàñòîòíîм è ñâåðõâыñîêîчà-
ñòîòíîм дèàïàзîíå. Вмåñòå ñ òåм, дëÿ îбåñïåчå-
íèÿ âыñîêîýффåêòèâíîé ðàбîòы дàííыõ óñèëèòå-
ëåé â ðàдèîýëåêòðîííыõ ñèñòåмàõ âîзíèêàåò íå-
îбõîдèмîñòь óчåòà ñâîéñòâ ðåàëьíîãî òðàíзèñòî-
ðà (åãî íåëèíåéíîñòåé è ïàðàзèòíыõ ýëåмåíòîâ),
êîòîðыå íà ïðàêòèêå зàмåòíî óõóдшàюò ðàбîòó
âñåãî óñèëèòåëÿ [1—5]. Дëÿ УМ êëàññà F êðàé-
íå âàжíîé зàдàчåé ÿâëÿåòñÿ óчåò âыõîдíîé åмêî-
ñòè è èíдóêòèâíîñòè, ïîñêîëьêó èмåííî ýòè ïà-
ðàзèòíыå ýëåмåíòы íå ïîзâîëÿюò âыõîдíîé íà-
ãðóзîчíîé цåïè (ÂÍЦ) ñîздàâàòь èмïåдàíñы íà
êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà, íåîбõîдèмыå дëÿ âыñî-
êîýффåêòèâíîé ðàбîòы óñèëèòåëÿ [1, 2, 5—8].
В [9] ïîêàзàíî, чòî дëÿ òîãî, чòîбы дîñòèчь мàê-
ñèмóмà ñòîêîâîãî КПД hd èдåàëьíîãî УМ êëàñ-
ñà F, íåîбõîдèмî ñîздàòь íà êðèñòàëëå òðàíзè-
ñòîðà èмïåдàíñ, ðàâíыé àêòèâíîмó íàãðóзîчíî-
мó ñîïðîòèâëåíèю íà ïåðâîé ãàðмîíèêå, èмïå-
дàíñы, ðàâíыå íóëю íà âñåõ чåòíыõ ãàðмîíèêàõ
è бåñêîíåчíîñòè íà âñåõ íåчåòíыõ ãàðмîíèêàõ.
Из [1, 2, 10—12] ñëåдóåò, чòî íà ïðàêòèêå дëÿ
ïîëóчåíèÿ âыñîêîãî ñòîêîâîãî КПД УМ êëàñ-
ñà F íåîбõîдèмî ñîздàâàòь èмïåдàíñы íà êðè-
ñòàëëå òðàíзèñòîðà, зíàчåíèÿ êîòîðыõ зàмåòíî
îòëèчàюòñÿ îò ïðèâåдåííыõ â [9]. Òàêîå îòëè-
чèå îбъÿñíÿåòñÿ òåм, чòî фàзîâыå ñдâèãè мåж-
дó ñãåíåðèðîâàííымè òðàíзèñòîðîм ãàðмîíèêà-
мè òîêà íå ñîîòâåòñòâóюò òåîðèè [9]. В ðåзóëь-
òàòå ýòîãî дàжå цåïь, êîòîðàÿ îбåñïåчèâàåò зíà-
чåíèÿ èмïåдàíñîâ, бëèзêèå ê èдåàëьíым, íå ïî-
зâîëÿåò дîñòèчь îжèдàåмîãî óâåëèчåíèÿ hd, ïî-
Предложена методика построения и расчета выходной нагрузочной цепи для усилителя мощности
класса F с добавлением третьей гармоники напряжения, которая позволяет скомпенсировать нега-
тивное влияние паразитных элементов транзистора на стоковый КПД усилителя. Такая цепь по-
зволяет оптимизировать стоковый КПД усилителя с помощью независимой настройки импедан-
сов на первой и третьей гармониках. Представлены результаты моделирования и эксперименталь-
ного исследования энергетических характеристик такого усилителя на арсенид-галлиевом полевом
транзисторе CLY15, рассчитанного на рабочую частоту 400 МГц.
Ключевые слова: усилитель мощности класса F, стоковый КПД, паразитные элементы транзисто-
ра, компенсация, выходная нагрузочная цепь.
ñêîëьêó òåðÿåòñÿ âîзмîжíîñòь ïîëóчåíèÿ íàïðÿ-
жåíèÿ îïòèмàëьíîé дëÿ êëàññà F фîðмы èз íå-
чåòíыõ ãàðмîíèê òîêà. В êàчåñòâå ðåшåíèÿ дàí-
íîé ïðîбëåмы â íàñòîÿщåé ðàбîòå ïðåдëàãàåò-
ñÿ дëÿ УМ êëàññà F îñóщåñòâëÿòь íåзàâèñèмóю
íàñòðîéêó èмïåдàíñîâ íà íåчåòíыõ ãàðмîíèêàõ
òîêà, èз êîòîðыõ ïîëóчàюò íàïðÿжåíèÿ õàðàê-
òåðíîé дëÿ êëàññà F фîðмы. Кàê ïîêàзàíî â [11,
12], фîðмà òîêà â УМ êëàññà F, ðàбîòàющåãî â
àêòèâíîé îбëàñòè, ïîâòîðÿåò ñ íåñêîëьêèмè èñ-
êàжåíèÿмè фîðмó âõîдíîãî ñèãíàëà, ïîýòîмó íà
ïðàêòèêå ñòðåмëåíèå ê íóëю èмïåдàíñîâ íà чåò-
íыõ ãàðмîíèêàõ ÿâëÿåòñÿ ïðèåмëåмым óñëîâèåм
дëÿ ïîëóчåíèÿ âыñîêîãî КПД hd.
Цåëью дàííîé ðàбîòы ÿâëÿåòñÿ ðàзðàбîòêà âы-
õîдíîé íàãðóзîчíîé цåïè дëÿ óñèëèòåëÿ мîщíî-
ñòè êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòьåé ãàðмîíèêè
íàïðÿжåíèÿ, êîòîðàÿ ïîзâîëèò ñêîмïåíñèðîâàòь
íåãàòèâíîå âëèÿíèå âыõîдíîé åмêîñòè è èíдóê-
òèâíîñòè íà ñòîêîâыé КПД óñèëèòåëÿ è дàñò âîз-
мîжíîñòь îñóщåñòâëÿòь íàñòðîéêó èмïåдàíñîâ íà
ïåðâîé è òðåòьåé ãàðмîíèêàõ íåзàâèñèмî дðóã îò
дðóãà ïðè ñîõðàíåíèè ñòðåмÿщåãîñÿ ê íóëю íà
âòîðîé ãàðмîíèêå èмïåдàíñà.
Методика расчета компенсирующей ÂÍЦ
для усилителя мощности класса F
Рàññмîòðèм ïðåдñòàâëåííóю íà рис. 1, а óïðî-
щåííóю мîдåëь òðàíзèñòîðà, ñîдåðжàщóю ãåíåðà-
òîð òîêà, ê êîòîðîмó ïîдêëючåíы åмêîñòь COUT è
èíдóêòèâíîñòь LOUT. Сîåдèíèм îдèí êîíåц LOUT ñ
èíдóêòèâíîñòью L1 ïðîâîдíèêà ВНЦ, ê êîòîðîé
ïðèñîåдèíåí êîëëåêòîð ëèбî ñòîê òðàíзèñòîðà.
Пîдêëючèм ê L1 Г-îбðàзíóю цåïîчêó, ñîñòîÿщóю
èз L2 è C3. Иõ íîмèíàëы дîëжíы быòь âыбðàíы
òàê, чòîбы âыïîëíÿëîñь óñëîâèå, îбåñïåчèâàю-
УДК 621.375.4
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014 ¹ 1
4
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
щåå ðàâåíñòâî ïîëóчàåмыõ зíàчåíèé èмïåдàíñîâ
êàê ñî ñòîðîíы COUT (íà êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà),
òàê è ñî ñòîðîíы C3 ïðè ïîдêëючåíèè мåждó èí-
дóêòèâíîñòÿмè L1 è L2 óчàñòêà цåïè, ñîздàющå-
ãî ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå jX íà чàñòîòàõ ïåð-
âîé (f1), âòîðîé (2f1) è òðåòьåé (3f1) ãàðмîíèê:
L2 = LOUT + L1; C3 = COUT. (1)
Дëÿ ïîëóчåíèÿ ñî ñòîðîíы COUT òðåбóåмыõ
зíàчåíèé èмïåдàíñîâ íà чàñòîòàõ f1, 2f1 è 3f1
â цåïь А íà ðèñ. 1, а âêëючåíы ýëåмåíòы C1,
C2 è L5, íîмèíàëы êîòîðыõ ðàññчèòыâàюòñÿ.
Эëåмåíòы L3, L4, L6 è L7 ïðåдñòàâëÿюò ñîбîé èí-
дóêòèâíîñòè ïðîâîдíèêîâ, ñîåдèíÿющèõ C1, C2,
L5, L1 è L2 мåждó ñîбîé.
Пîòðåбóåм, чòîбы цåïь А ñîздàâàëà ñî ñòîðî-
íы COUT (èëè C3 â ñèëó óñëîâèÿ (1)) èмïåдàí-
ñы Z(f1) = ∞, Z(2f1) = 0, Z(3f1) = 0. Дëÿ ýòîãî
ïðåдïîëîжèм, чòî ýëåмåíòы LOUT, L1…L7 è COUT,
C1…C3 èдåàëьíыå, è зàïèшåм c óчåòîм (1) âы-
ðàжåíèå 2 (ñм. âíèзó ñòðàíèцы) дëÿ èмïåдàíñà
Z(f), ïîëóчàåмîãî ñî ñòîðîíы COUT.
В âыðàжåíèè (2) âñå зíàчåíèÿ ðåàêòèâíыõ ñî-
ïðîòèâëåíèé èíдóêòèâíîñòåé è åмêîñòåé íà чà-
ñòîòå f ðàññчèòыâàюòñÿ ïî фîðмóëàм
ХL = 2pfL, ХC = 0,5pfC. (3)
Дëÿ îбåñïåчåíèÿ óñëîâèÿ Z(f1) = ∞ зíàмåíà-
òåëь âыðàжåíèÿ (2) (îбîзíàчèм åãî êàê XЗН(2))
ïðè f = f1 дîëжåí îбðàщàòьñÿ â íîëь, à дëÿ ïî-
ëóчåíèÿ Z(2f1) = 0 è Z(3f1) = 0 чèñëèòåëь â (2)
(îбîзíàчèм åãî êàê XЧ(2)) дîëжåí îбðàщàòьñÿ â
íîëь ïðè f = 2f1 è f = 3f1. Òîãдà дëÿ íàõîждåíèÿ
òàêèõ зíàчåíèé XC1, XC2, XL5, ïðè êîòîðыõ âы-
ïîëíÿюòñÿ ýòè óñëîâèÿ, ñîñòàâèм ñèñòåмó àëãå-
бðàèчåñêèõ óðàâíåíèé
( ) 0;
( ) 0;
( ) 0.
X f
X f
X f
2
3
ÇÍ( )
×( )
×( )
2 1
2 1
2 1
=
=
=
Z
[
\
]]
]
(4)
Эòà ñèñòåмà óðàâíåíèé ðåшàåòñÿ чèñëåííî îò-
íîñèòåëьíî XC1, XC2, XL5 ïðè íàчàëьíыõ зíàчåíè-
ÿõ X0C1, X0C2, X0L5, è дëÿ íàõîждåíèÿ C1, C2, L5
ïî фîðмóëàм (3) íåîбõîдèмî èñïîëьзîâàòь òîëь-
êî ïîëîжèòåëьíыå ðåшåíèÿ.
Пðè ñîздàíèè â цåïè А íà чàñòîòå f = 3f1 êîðîò-
êîãî зàмыêàíèÿ ïàðàëëåëьíî C3 ýëåмåíòы LOUT,
L1…L7, C1, C2 ñîâмåñòíî ñ COUT îбðàзóюò ïàðàë-
ëåëьíыé ðåзîíàíñíыé êîíòóð, â ðåзóëьòàòå чåãî
ñî ñòîðîíы COUT âîзíèêíåò èмïåдàíñ Z(3f1) = ∞.
Дëÿ ïîëóчåíèÿ âîзмîжíîñòè íàñòðîéêè èмïåдàí-
ñà íà чàñòîòó 3f1 â êàчåñòâå ïîдñòðîåчíîé âыбðà-
íà åмêîñòь C1. Дëÿ ñîздàíèÿ цåïью А èмïåдàí-
ñîâ, òðåбóåмыõ òåîðèåé [9], ïàðàëëåëьíî C3 ïîд-
êëючàåòñÿ цåïь Б (ñм. ðèñ. 1, б), îбåñïåчèâàю-
щàÿ êîðîòêîå зàмыêàíèå ñ ïîмîщью êîðîòêîзàм-
êíóòîãî îòðåзêà мèêðîïîëîñêîâîé ëèíèè TLA дëè-
íîé â ïîëîâèíó дëèíы âîëíы ïðè f = 3f1. Оòðåзîê
ëèíèè TLB, дëèíà êîòîðîãî âыбðàíà ðàâíîé чåò-
Z(f1)= RLOAD+ jXLOAD
RLOAD
Z(3f1)= ∞
LOUT L1 L2
L3
L4
L5
L6
L7
C2
C3C1
COUT
Z(f1)= ∞
Z(2f1)= 0
Z(3f1)= 0
Кîðîòêîå зàмыêà-
íèå íà чàñòîòå 3f1
Рèñ. 1. Чàñòè ýêâèâàëåíòíîé ñõåмы УМ êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòьåé ãàðмîíèêè íàïðÿжåíèÿ
l3
2
l2
2
C4
C5
C6 C7 C8
LA
LB
TLA
TLB
Z (f1) = RLOAD+ jXLOAD
|Z(2f1)| >> |XC3|
Z(3f1)→0
*
Z(f1)=R′
R
Z(f1)=R
ãдå ХLD = XLOUT
+ XL1; ХL4,6 = XL4 + XL6.
( )
/ /
,
– – – – –
– – –
–
– –
Z f
X X X X X X X X X X X X X
X X X X X X
X X
X X X
X X X X X X
2 2 2
2
2
j
, ,
, ,
C LD L L C L L LD C C L L C
C LD C L L C
LD C
LD LD C
L L C L L C
5 4 6 1 3 7 2 5 4 6 1
5 4 6 1 7 3 2 5 4 6 1
OUT OUT
OUT OUT
OUT
OUT
=
+ + + +
+ + + +
_ __ _ _
_ _
_
_
i ii i i
i i
i
i
7
>>
A
H H
(2)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
5
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
âåðòè дëèíы âîëíы ïðè f = 2f1, ñîâмåñòíî ñ TLA
îбåñïåчèâàåò íà чàñòîòå 2f1 âыïîëíåíèå óñëîâèÿ
|Z(2f1)| >> |XC3|. (5)
Эòî óñëîâèå ïîêàзыâàåò, чòî ïðè f = 2f1 цåïь
Б ïðàêòèчåñêè íå âëèÿåò íà зíàчåíèå XC3, â ðå-
зóëьòàòå чåãî èмïåдàíñ Z(2f1), ñîздàâàåмыé цå-
ïью А ñî ñòîðîíы COUT, ïî-ïðåжíåмó мîжíî ñчè-
òàòь ðàâíым íóëю. Пðè ïîдêëючåíèè àêòèâíîãî
íàãðóзîчíîãî ñîïðîòèâëåíèÿ RLOAD ïàðàëëåëьíî
C3 (ñм. ðèñ. 1, а) ñî ñòîðîíы COUT âîзíèêàåò èм-
ïåдàíñ Z(f1), êîòîðыé îïðåдåëÿåòñÿ ïî фîðмóëå
Z(f1) ≅ RLOAD + jXLOAD, (6)
ãдå XLOAD ≅ 2,3XLD.
Зíàчåíèå XLOAD â ýòîм âыðàжåíèè ïðåдñòàâ-
ëÿåò ñîбîé ðåàêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå èíдóêòèâ-
íîãî õàðàêòåðà, êîòîðîå ñîздàåò цåïь А ñî ñòî-
ðîíы COUT ïðè ïîдêëючåíèè RLOAD ïàðàëëåëьíî
C3. Чòîбы ïîëóчèòь ñî ñòîðîíы COUT èмïåдàíñ
Z(f1) = RLOAD, íåîбõîдèмî чòîбы цåïь Б ñîздà-
âàëà íà C3 èмïåдàíñ Z*(f1), êîмïëåêñíî ñîïðÿ-
жåííыé Z(f1):
Z*(f1)= RLOAD – jXLOAD. (7)
Дëÿ ýòîãî ïðè зàдàííыõ зíàчåíèÿõ RLOAD è
XLOAD íåîбõîдèмî íàéòè àêòèâíîå (R') è ðåàêòèâ-
íîå (XC5) åмêîñòíыå ñîïðîòèâëåíèÿ, íà êîòîðыå
íàãðóжåí îòðåзîê ëèíèè TLB ïðè f = f1:
( )/( –
– – ( )
3 ),
R Z R X
Z X Z X Z R
Z
6 2 3 2
3 3 3
3
LOAD LOAD
LOAD LOAD LOAD
0
2 2
0 0 0
2 2
0
2
= +
+ + +
+
l 6
@
(8)
/ ( )(
– – )/( –
– ( ) ] ( )),
X f C Z Z X
Z X R X
Z X R Z
1 2 2 3 2 3
3 2 2 2
3 3 3 2 3
C LOAD
LOAD LOAD LOAD
LOAD LOAD
5 1 5 0 0
0
2 2 2 2
0
2
0
2
π= = + +
+
+ + + +
6
(9)
Здåñь Z0 — âîëíîâîå ñîïðîòèâëåíèå îòðåзêîâ
ëèíèé TLA è TLB (фîðмóëы ïîëóчåíы ïðè óñëî-
âèè, чòî îíî îдèíàêîâî дëÿ îбîèõ ýòèõ îòðåз-
êîâ, êîòîðîå ïîдбèðàåòñÿ òàêèм, чòîбы ïîëóчåí-
íыå зíàчåíèÿ R′ è XC5 быëè ïîëîжèòåëьíымè.
В цåïè Б â êàчåñòâå ïîдñòðîåчíîé âыбðàíà
åмêîñòь C5, чòî ïîзâîëÿåò íàñòðàèâàòь Z(f1) íà
COUT. Емêîñòь C4 — ðàздåëèòåëьíàÿ, ýëåмåíòы LA
è C6 îбðàзóюò ïàðàëëåëьíыé ðåзîíàíñíыé êîí-
òóð ïðè f = f1, ýëåмåíòы C7, C8 è LB îбðàзóюò ñî-
ãëàñóющóю П-îбðàзíóю цåïîчêó, íåîбõîдèмóю
дëÿ òðàíñфîðмàцèè R' íà чàñòîòå f1 â àêòèâíîå
ñîïðîòèâëåíèå íàãðóзêè R.
Цåïè А è Б ñîâмåñòíî ïðåдñòàâëÿюò ñîбîé ýê-
âèâàëåíòíóю ñõåмó УМ êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм
òðåòьåé ãàðмîíèêè íàïðÿжåíèÿ. Нà ýòîé ñõåмå
(ñм. ðèñ. 1) âñå ýëåмåíòы, êðîмå ãåíåðàòîðà òîêà,
COUT è LOUT, îбðàзóюò ВНЦ, êîòîðàÿ ñ óчåòîм
COUT è LOUT ïîзâîëÿåò è ïîëóчàòь íà êðèñòàëëå
òðàíзèñòîðà зíàчåíèÿ èмïåдàíñîâ, òðåбóåмыõ òå-
îðèåé [9], è íàñòðàèâàòь èмïåдàíñы íà чàñòîòàõ
f1 è 3f1. Пðåдëîжåííàÿ ВНЦ мîжåò быòь ðåàëè-
зîâàíà â дèàïàзîíå чàñòîò 300—500 МГц, ãдå èñ-
ïîëьзîâàíèå òîëьêî ñîñðåдîòîчåííыõ ýëåмåíòîâ
íå âñåãдà âîзмîжíî, à ïîñòðîåíèå íà ýëåмåíòàõ ñ
ðàñïðåдåëåííымè ïàðàмåòðàмè ïðèâîдèò ê ñóщå-
ñòâåííîмó óâåëèчåíèю ðàзмåðîâ âñåãî óñèëèòåëÿ.
Моделирование и экспериментальное
исследование усилителя мощности класса F
Сõåмà УМ êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòьåé
ãàðмîíèêè íàïðÿжåíèÿ, ðåàëèзîâàííîãî â дàí-
íîé ðàбîòå íà чàñòîòó 400 МГц, ïîêàзàíà íà
рис. 2. В ðàбîòå èñïîëьзîâàëàñь íåëèíåéíàÿ мî-
дåëь Мàòåðêè—Кàñïðчàêà [13] дëÿ ïîëåâîãî
GaAs-òðàíзèñòîðà CLY15 [14] (Q1 íà ðèñ. 2),
ó êîòîðîãî âыõîдíàÿ åмêîñòь «ñòîê — èñòîê»
Cds = COUT = 12,5 ïФ è âыõîдíàÿ èíдóêòèâíîñòь
ñòîêà Ld = LOUT = 0,7 íГí. Мîдåëèðîâàíèå ïðîâî-
дèëîñь мåòîдîм ãàðмîíèчåñêîãî бàëàíñà ñ óчåòîм
ïîòåðь âî âñåõ ïðîâîдíèêàõ è дèýëåêòðèêå мèêðî-
ïîëîñêîâыõ ëèíèé. Нàïðÿжåíèå ñмåщåíèÿ íà зà-
òâîðå быëî óñòàíîâëåíî VGG = 3 В, чòî ñîîòâåò-
Рèñ. 2. Эëåêòðèчåñêàÿ ïðèíцèïèàëьíàÿ ñõåмà УМ êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòьåé ãàðмîíèêè íàïðÿжåíèÿ
Вõîд
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014 ¹ 1
6
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
ñòâóåò óãëó îòñåчêè qC = 90°. Вõîдíàÿ мîщíîñòь
PIN, ñîîòâåòñòâóющàÿ ðàбîòå òðàíзèñòîðà â àêòèâ-
íîé îбëàñòè, ñîñòàâëÿëà 90 мВò. Нàïðÿжåíèå ïè-
òàíèÿ VDD быëî óñòàíîâëåíî ðàâíым 5,5 В.
Нà ñõåмå ðèñ. 2 èíдóêòèâíîñòè LGG è LDD âы-
ïîëíÿюò ðîëь дðîññåëåé, à åмêîñòè CGG1, CGG2,
CGG3 è CDD1, CDD2, CDD3 îбåñïåчèâàюò фèëьòðà-
цèю ïàðàзèòíыõ ïîмåõ â цåïÿõ ïèòàíèÿ. Емêîñòè
CG1, CG2 è îòðåзîê ëèíèè TLG1 îбðàзóюò ñîãëàñóю-
щóю Ò-îбðàзíóю цåïь, êîòîðàÿ îбåñïåчèâàåò êîм-
ïëåêñíîå ñîãëàñîâàíèå âыõîдíîãî 50-îмíîãî ñî-
ïðîòèâëåíèÿ ãåíåðàòîðà ñ âõîдíым ñîïðîòèâëå-
íèåм òðàíзèñòîðà. Вмåñòî èíдóêòèâíîñòåé L1…
L7 íà ðèñ. 1, а â ВНЦ ñõåмы íà ðèñ. 2 èñïîëьзó-
юòñÿ îòðåзêè мèêðîïîëîñêîâыõ ëèíèé TL1…TL7,
èíдóêòèâíîñòь êîòîðыõ âычèñëÿåòñÿ ïî фîðмó-
ëå [15, c. 232]
LTL = Z0l/(f lg), (10)
ãдå l, lg — ñîîòâåòñòâåííî дëèíà îòðåзêà ëèíèè
è дëèíà âîëíы â íåé.
Вñå îòðåзêè ëèíèé, èñïîëьзóåмыõ â дàííîé ðà-
бîòå, âыïîëíåíы íà фîëьãèðîâàííîм ñòåêëîòåê-
ñòîëèòå СФ-2-35Г-1,5 мм è èмåюò Z0 = 54,55 Ом,
lg = 0,3763 м.
Сèñòåмà óðàâíåíèé (4) быëà чèñëåííî ðåшåíà
îòíîñèòåëьíî XC1, XC2, XL5 ïðè íàчàëьíыõ зíàчå-
íèÿõ X0C1 = 20 Ом, X0C2 = 10 Ом, X0L5 = 10 Ом ïî-
ñëå ïîдñòàíîâêè èñõîдíыõ дàííыõ èз табл. 1 è 2
(ÿчåéêè ñ èñõîдíымè дàííымè â íèõ ïîмåчåíы
ñåðым) è ñ óчåòîм фîðмóë (1), (3). Пîëóчåíî, чòî
XC1 = 149,56 Ом, XC2 = 26,30 Ом, XL5 = 23,77 Ом.
С óчåòîм ýòîãî, ïî фîðмóëàм (2) быëè íàé-
дåíы íîмèíàëы C1, C2, L5 (ñм. òàбë. 1), à L1…
L7 быëè ïåðåñчèòàíы ïî фîðмóëå (10) â èíдóê-
òèâíîñòь LTL ýêâèâàëåíòíыõ èм îòðåзêîâ ëèíèé
TL1…TL7 (ñм. òàбë. 2).
В дàííîé ðàбîòå àêòèâíîå ñîïðîòèâëåíèå óñè-
ëèòåëÿ RLOAD ðàññчèòыâàëîñь èñõîдÿ èз òðåбóå-
мîé âыõîдíîé мîщíîñòè POUT = 1,2 Вò ïî фîð-
мóëå, ïðèâåдåííîé â [16, ñ. 280]:
RLOAD = 2(VDD – VK)2/(3POUT), (10)
ãдå VDD — íàïðÿжåíèå èñòîчíèêà ïèòàíèÿ;
VK — íàïðÿжåíèå â òîчêå ïåðåãèбà õàðàêòåðè-
ñòèêè.
Пîдñòàâèâ ñюдà VDD = 5,5 В, VK = 0,6 В è
POUT = 1,2 Вò, ïîëóчèм RLOAD = 13,3 Ом. С óчå-
òîм ïîëóчåííîãî â ðåзóëьòàòå ñîîòâåòñòâóющèõ
âычèñëåíèé зíàчåíèÿ XLOAD ≅ 9,2 Ом, â ñîîòâåò-
ñòâèè ñ (6) ïîëóчèм
Z(f1) ≅ 13,3 + j⋅9,2 Ом. (12)
Дëÿ ñîздàíèÿ цåïью Б íà ðèñ. 1, б èмïåдàíñà
Z*(f1), êîмïëåêñíî-ñîïðÿжåííîãî (12), íàéдåм
R' è XC5. Пîñëå ïîдñòàíîâêè â фîðмóëы (8), (9)
зíàчåíèé Z0, RLOAD è XLOAD ïîëóчèм R' = 30,5 Ом,
XC5 = 71,0 Ом. Зíàчåíèå C5 ïðèâåдåíî â òàбë. 1.
Имïåдàíñы, ñîздàâàåмыå ВНЦ íà êðèñòàëëå
òðàíзèñòîðà, быëè ïðîмîдåëèðîâàíы ñ óчåòîм ïî-
òåðь â ВНЦ, èõ зíàчåíèÿ ïðèâåдåíы â табл. 3, ãî-
дîãðàфы — íà рис. 3. Пîëóчåííîå зíàчåíèå åм-
êîñòè C1, ðàâíîå 2,08 ïФ, íåñêîëьêî îòëèчàåòñÿ
îò ðàñчåòíîãî 2,66 ïФ èз òàбë. 1, чòî îбъÿñíÿåò-
ñÿ ïîãðåшíîñòью, êîòîðóю âíîñèò фîðмóëà (10)
ïðè ïåðåñчåòå L1…L7 â ýêâèâàëåíòíыå èíдóêòèâ-
íîñòè îòðåзêîâ ëèíèé TL1…TL7. Эòà ïîãðåшíîñòь
ïðîÿâëÿåòñÿ íà чàñòîòå 3f1 è ëåãêî óñòðàíÿåòñÿ
Эëåмåíò Нîмèíàë Эëåмåíò Нîмèíàë
C1 2,66 ïФ CGG1=CDD1 10,0 ïФ
C2 15,13 ïФ CGG2=CDD2 0,1 мêФ
C3 12,5 ïФ CGG3=CDD3 4,7 мêФ
C4 1000,0 ïФ Cds = COUT 12,5 ïФ
C5 5,6 ïФ LOUT=Ld 0,7 íГí
C6 6,3 ïФ L5 9,46 íГí
C7 26,1 ïФ LGG 60,0 íГí
C8 21,3 ïФ LDD 60,0 íГí
C9 1000,0 ïФ LA 25,0 íГí
CG1 38,0 ïФ LB 11,4 íГí
CG2 28,0 ïФ R 50,0 Ом
Òàбëèцà 1
Параметры элементов схемы, приведенной
на рис. 2
Òàбëèцà 3
Значения импедансов, создаваемых в ВНЦ
n
Zn (f1),
Ом
Zn (2f1),
Ом
Zn (3f1),
Ом
C5,
ïФ
C1,
ïФ
1 11,5 – j⋅5,6 0,5 – j⋅0,6 83,4 – j⋅0,5 4,6
2,082 12,8 – j⋅0,2 0,5 + j⋅0,0 83,4 – j⋅0,5 5,6
3 13,9 + j⋅4,0 0,5 + j⋅0,4 83,4 – j⋅0,5 6,6
4 12,8 – j⋅0,1 0,5 + j⋅0,0 28,4 + j⋅25,0
5,6
2,0
5 12,8 – j⋅0,2 0,5 + j⋅0,0 83,4 – j⋅0,5 2,08
6 12,5 – j⋅0,4 0,5 + j⋅0,2 13,5 – j⋅37,9 2,4
Òàбëèцà 2
Параметры отрезков линий TL1... TL7
Лèíèÿ LTL, íГí l, мм w, мм
TL1 0,9 2,5
2,0
TL2 1,6 4,4
TL3 3,6 10,0
TL4 2,0 5,5
TL5 9,46 26,0
TL6 2,0 5,5
TL7 1,0 2,8
TLA — 63,1
TLB — 47,2
TLG1 — 24,0 1,5
Здåñь l, w — дëèíà è шèðèíà îòðåзêà ëèíèè.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
7
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
ïîдñòðîéêîé C1. Из ðèñ. 3 è òàбë. 3 âèдíî, чòî â
ВНЦ ñ ïîмîщью íåзíàчèòåëьíîãî èзмåíåíèÿ åм-
êîñòåé C5 è C1 мîжíî îñóщåñòâëÿòь ïðàêòèчåñêè
íåзàâèñèмóю íàñòðîéêó Z(f1) è Z(3f1) ïðè ñî-
õðàíåíèè Z(2f1)→0. Зíàчèòåëьíî мåíьшåå зíà-
чåíèå èмïåдàíñà íà òðåòьåé ãàðмîíèêå Z1–3,5(3f1)
(ñм. òàбë. 3) ïî ñðàâíåíèю ñ èдåàëьíым (1000 Ом
è бîëåå [3, 9]) ÿâëÿåòñÿ ïðèчèíîé ïîòåðь â ВНЦ.
Одíàêî, êàê ïîêàзàíî â [10—12], дëÿ ïðàêòè-
чåñêîé ðåàëèзàцèè УМ êëàññà F âïîëíå дîñòà-
òîчíî, чòîбы зíàчåíèå |Z(3f1)| â 3—5 ðàз ïðå-
âîñõîдèëî |Z(f1)|, чòî â ðàññмàòðèâàåмîм ñëóчàå
âïîëíå дîñòèжèмî.
Дëÿ íàõîждåíèÿ мàêñèмàëьíîãî ñòîêîâîãî
КПД óñèëèòåëÿ hd ïðè фèêñèðîâàííîé âыõîд-
íîé мîщíîñòè POUT íàãðóзîчíóю цåïь УМ íà-
ñòðàèâàëè íà èмïåдàíñы, бëèзêèå ê èдåàëьíым,
è èзмåðÿëè hd è POUT. Зàòåм îïðåдåëÿëè èмïå-
дàíñы, ñîîòâåòñòâóющèå íàèбîëьшåмó óâåëè-
чåíèю hd ïðè POUT = const: Z(f1) íàõîдèëè ïðè
èзмåíåíèè åмêîñòè C5 â дèàïàзîíå îò 4,5 дî
7,5 ïФ; Z(3f1) — ïðè èзмåíåíèè åмêîñòè C1 îò
1,5 дî 3,0 ïФ.
Зíàчåíèÿ hd, POUT, òîêà èñòîчíèêà ïèòàíèÿ
IDC è èмïåдàíñîâ Z(f1), Z(2f1), Z(3f1), ïîëóчåí-
íыå â ðåзóëьòàòå мîдåëèðîâàíèÿ è ýêñïåðèмåí-
òà, ïðèâåдåíы â табл. 4, à ñîîòâåòñòâóющèå ãî-
дîãðàфы èмïåдàíñîâ ñî ñòîðîíы Cds — íà рис. 4.
Пðè èзмåðåíèè èмïåдàíñîâ ñî ñòîðîíы Cds âмå-
ñòî òðàíзèñòîðà быë ïîдêëючåí êîíдåíñàòîð åм-
êîñòью Cds è êàòóшêà èíдóêòèâíîñòью Ld, чòî
ïîзâîëèëî èзмåðèòь èмïåдàíñы, êîòîðыå ñîздà-
åò ВНЦ íà êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà (ðèñ. 4, б).
Кàê âèдíî èз òàбë. 4, ðîñò hd ïðè POUT = const
ïðîèñõîдèò зà ñчåò ñíèжåíèÿ ïîòðåбëÿåмîãî òîêà
IDC. Эòîмó ñïîñîбñòâóåò ñíèжåíèå мîщíîñòè,
ðàññåèâàåмîé íà êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà, чòî îò-
ðàжàåòñÿ â óмåíьшåíèè ïëîщàдè îбëàñòåé, îãðà-
íèчåííыõ êðèâымè òîêà ñòîêà Id è íàïðÿжåíèÿ
«ñòîê — èñòîê» Vds (рис. 5).
Фîðмы òîêà Id è íàïðÿжåíèÿ Vds, ïîëóчåí-
íыå ïðè мîдåëèðîâàíèè, ñâèдåòåëьñòâóюò î òîм,
чòî îíè îбðàзîâàíы ñóммèðîâàíèåм íå òîëьêî
ïåðâыõ òðåõ, íî è бîëåå âыñîêèõ ãàðмîíèê. Нî
èз ðèñ. 5 âèдíî, чòî дàжå ñ óчåòîм âêëàдà âыñ-
шèõ ãàðмîíèê èíдèâèдóàëьíàÿ íàñòðîéêà èмïå-
дàíñîâ Z(f1) è Z(3f1) ïîзâîëÿåò óмåíьшèòь ïëî-
щàдь îбëàñòåé, îãðàíèчåííыõ êðèâымè Id è Vds.
Из òàбë. 4 è ðèñ. 4 ñëåдóåò, чòî óâåëèчåíèå hd
ïðè ïîñòîÿííîм зíàчåíèè POUT ïðîèñõîдèò ïðè
Рèñ. 3. Гîдîãðàфы èмïåдàíñîâ, ñîздàâàåмыõ ВНЦ íà êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà, ïîëóчåííыå ñ ïîмîщью
мîдåëèðîâàíèÿ ïðè íåзàâèñèмîé íàñòðîéêå èмïåдàíñîâ Z(f1) (а) è Z(3f1) (б)
à) б)
Òàбëèцà 4
Результаты моделирования и эксперимента
n Zn (f1), Ом Zn (2f1), Ом Zn (3f1), Ом IDC, А POUT, Вт hd, %
Моделирование
1 12,8 – j·0,2 0,5 + j·0,0 83,4 – j·0,5 0,275 1,1 73,4
2 13,5 + j·2,5 0,5 + j·0,3 83,4 – j·0,5 0,265 1,1 75,1
3 13,4 + j·2,1 0,5 + j·0,5 14,0 – j·37,6 0,263 1,1 76,1
Эксперимент
1 13,0 + j·0,3 1,8 + j·0,4 62,4 – j·0,8 0,277 1,045 68,5
2 13,4 + j·5,7 1,8 + j·0,3 62,6 – j·0,7 0,266 1,045 71,3
3 13,3 + j·5,2 1,7 + j·0,4 20,0 – j·26,7 0,262 1,045 72,5
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014 ¹ 1
8
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
hd, %
70
60
50
40
30
20
10
0
0 20 40 60 80
PIN, мВò
POUT, Вò
0,90
0,60
0,30
0
Рèñ. 6. Зàâèñèмîñòь ñòîêîâîãî КПД è âыõîдíîé мîщ-
íîñòè îò âõîдíîé мîщíîñòè
Эêñïåðèмåíò
Мîдåëèðîâàíèå
hd, %
80
76
72
68
64
60
56
390 394 398 402 406 410
f, МГц
POUT, Вò
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
Эêñïåðèмåíò
Мîдåëèðîâàíèå
Рèñ. 7. Зàâèñèмîñòь ñòîêîâîãî КПД è âыõîдíîé
мîщíîñòè îò чàñòîòы
Рèñ. 8. Эêñïåðèмåíòàëьíыé мàêåò УМ êëàññà F
ïîÿâëåíèè èíдóêòèâíîé ðåàêòèâíîé ñîñòàâëÿю-
щåé èмïåдàíñà Z(f1) è åмêîñòíîé ñîñòàâëÿющåé
èмïåдàíñà Z(3f1), êîòîðыå íåîбõîдèмы дëÿ êîð-
ðåêòèðîâêè ðàзíîñòè фàз мåждó ïåðâымè òðå-
мÿ ãàðмîíèêàмè Id è Vds ñ óчåòîм âêëàдà âыñ-
шèõ ãàðмîíèê.
Дëÿ óñèëèòåëÿ мîщíîñòè (ðèñ. 2) ïðè îïòè-
мèзèðîâàííыõ зíàчåíèÿõ Z3(f1), Z3(2f1), Z3(3f1)
(òàбë. 4) быëè ïîëóчåíы зàâèñèмîñòè hd è POUT
îò âõîдíîé мîщíîñòè PIN (рис. 6). В îбëàñòè èз-
мåíåíèÿ PIN îò 50 дî 90 мВò ñîõðàíÿюòñÿ âыñî-
Рèñ. 4. Гîдîãðàфы èмïåдàíñîâ, ñîздàâàåмыõ ВНЦ íà êðèñòàëëå òðàíзèñòîðà, ïîëóчåííыå ñ ïîмîщью
мîдåëèðîâàíèÿ (а) è ýêñïåðèмåíòàëьíî (б)
êèå зíàчåíèÿ hd è POUT. Пðè дàëьíåéшåм óâåëè-
чåíèè PIN íàïðÿжåíèå «зàòâîð — èñòîê» ïðåâы-
шàåò мàêñèмàëьíî дîïóñòèмîå.
Òàêжå быëè ïîëóчåíы зàâèñèмîñòè hd è POUT
îò ðàбîчåé чàñòîòы f, îíè ïðèâåдåíы íà рис. 7.
Нàбëюдàåмîå здåñь ñíèжåíèå hd ïðè óâåëèчåíèè
POUT îбъÿñíÿåòñÿ óмåíьшåíèåм |Z(f1)|.
Фîòî ýêñïåðèмåíòàëьíîãî мàêåòà èзãîòîâëåí-
íîãî УМ êëàññà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòåé ãàðмî-
íèêè íàïðÿжåíèÿ íà ðàбîчóю чàñòîòó 400 МГц
ïîêàзàíî íà рис. 8.
VDS, В
9
6
3
0
–3
0 1 2 3 4 5
Вðåмÿ, íñ
Id, А
9
6
3
0
–3
Рèñ. 5. Кðèâыå òîêà Id è íàïðÿжåíèÿ Vds â УМ êëàñ-
ñà F, ïîëóчåííыå ïðè мîдåëèðîâàíèè
( hd =76,1%; - - - hds =73,4%)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014, ¹ 1
9
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
Заключение
Пðåдëîжåííàÿ мåòîдèêà ïîзâîëÿåò ïðîâåñòè
ïîñòðîåíèå è ðàñчåò êîмïåíñèðóющåé âыõîдíîé
íàãðóзîчíîé цåïè дëÿ óñèëèòåëÿ мîщíîñòè êëàñ-
ñà F ñ дîбàâëåíèåм òðåòьåé ãàðмîíèêè íàïðÿжå-
íèÿ. Òàêàÿ цåïь мîжåò быòь ðåàëèзîâàíà â дè-
àïàзîíå чàñòîò 300—500 МГц, ãдå èñïîëьзîâà-
íèå òîëьêî ñîñðåдîòîчåííыõ ýëåмåíòîâ íå âñåãдà
âîзмîжíî, à ïîñòðîåíèå íà ýëåмåíòàõ ñ ðàñïðå-
дåëåííымè ïàðàмåòðàмè ïðèâîдèò ê ñóщåñòâåí-
íîмó óâåëèчåíèю ðàзмåðîâ âñåãî óñèëèòåëÿ. В
ðàзðàбîòàííîé ВНЦ èñïîëьзóюòñÿ ýëåмåíòы êàê
ñ ñîñðåдîòîчåííымè, òàê è ñ ðàñïðåдåëåííымè
ïàðàмåòðàмè, чåм дîñòèãàåòñÿ êîмïðîмèññ мåж-
дó ãåîмåòðèчåñêèмè ðàзмåðàмè è фèзèчåñêîé ðå-
àëèзóåмîñòью ýëåмåíòîâ цåïè.
Пðåдëîжåííàÿ ВНЦ ïîзâîëÿåò ñ óчåòîм ïà-
ðàзèòíыõ ýëåмåíòîâ òðàíзèñòîðà îñóщåñòâëÿòь
íåзàâèñèмóю íàñòðîéêó èмïåдàíñîâ íà ïåðâîé è
òðåòьåé ãàðмîíèêàõ ïðè ñîõðàíåíèè ñòðåмÿщåãî-
ñÿ ê íóëю èмïåдàíñà íà âòîðîé ãàðмîíèêå. Эòî
ïîзâîëÿåò îïòèмèзèðîâàòь ñòîêîâыé КПД ïðè
зàдàííîм óðîâíå âыõîдíîé мîщíîñòè. В óñèëè-
òåëå êëàññà F, ðàбîòàющåм íà чàñòîòå 400 МГц,
ýêñïåðèмåíòàëьíî быë ïîëóчåí КПД hd =72,5%
ïðè POUT =1,045 Вò.
Пðåдëîжåííàÿ мåòîдèêà ïîñòðîåíèÿ è ðàñчåòà
âыõîдíîé íàãðóзîчíîé цåïè мîжåò быòь ïðèмå-
íåíà дëÿ ðåàëèзàцèè óñèëèòåëÿ мîщíîñòè êëàñ-
ñà F â èíòåãðàëьíîм èñïîëíåíèè.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСÒОЧНИКИ
1. Кðыжàíîâñêèé В.Г., Ефèмîâèч А.П. Вëèÿíèå ïîòåðь
â ðåзîíàíñíыõ êîíòóðàõ íà ðàбîòó óñèëèòåëÿ êëàññà F //
Рàдèîòåõíèêà: âñåóêð. мåжâåд. íàóч.-òåõí. ñб. ХНУРЭ.—
2012. — ¹ 170. — С. 59 — 65.
2. Yefymovych A.P., Krizhanovski V.G. The methods of
compensating parasitic elements of the transistor in class-F
amplifier at the microwave range // Procced. of the 23th
International Crimean Conf. «CriMiCo 2013».— Ukraine,
Sevastopol.— 2013.— P. 98 — 99.
3. Kim J., Jo G., Oh J., Kim Y., Lee K., Jong J.
Modeling and design methodology of high-efficiency class-F
and class-F-1 power amplifiers // IEEE Transactions on
Microwave Theory and Techniques.— 2011.— Vol. 59,
N 1.— P. 153 — 165.
4. Moon J., Jee S., Kim J., Kim B. Behaviors of ñlass-F and
class-F-1 amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory
and Tecniques.— 2012. — Vol. 60, N 6. — P. 1937 — 1951.
5. Woo Y., Yang Y., Kim B. Analysis and experiments for
high-efficiency class-F and iverse ñlass-F power amplifiers //
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.—
2006. — Vol. 54, N 5. — P. 1969 — 1974.
6. Grebennikov A.V. Circuit design technique for high
efficiency ñlass F amplifiers // IEEE MTT-S International
Microwave Symposium Digest.— USA, Boston.— 2000.—
Vol. 2.— P. 771—774.
7. Grebennikov A.V. Load network design technique
for class F and inverse class F power amplifiers. // High
Frequency Electronics.— 2011.— Vol. 10, N 5.— P. 58 — 76.
8. Kenle C., Dimitrios P. Design of broadband highly
efficient harmonic-tuned power amplifier using in-band
continuous class-F1/F mode transferring // IEEE Trans-
actions on Microwave Theory and Techniques.— 2012.—
Vol. 60, N 12.— P. 4107 — 4116.
9. Raab F. H. Maximum efficiency and output of class-F
power amplifiers // IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques.— 2001.— Vol. 49, N 6.— P. 1162 — 1166.
10. Colantonio P., Giannini F., Limiti E. HF ñlass F
design guidelines // Procced. of the 15th International.
Conf. Microwaves «Radar and Wireless Communications».—
Poland, Warszawa.— 2004.— Vol. 1.— P. 27—38.
11. Falco S., Raffo A., Vadala V., Vannini G. Low-
frequency waveform engineering technique for class-F
microwave power amplifier design // 6th European
Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMC).— UK,
Manchester.— 2011.— P. 288—291.
12. Vadala V., Raffo A., Falco S., Bosi G., Nalli A.,
Vannini G. Load-pull characterization technique accounting for
harmonic tuning // IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques.— 2013.— Vol. 61, N 7.— P. 2695 — 2704.
13. Materka A., Kacprzak T. Computer calculation of
large-signal GaAs FET amplifier characteristics // IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 1985.—
Vol. 33, N 2.— P. 129 — 135.
14. Datasheet archive. — http://www.allcomponents.ru.
15. Фóñêî В. СВЧ цåïè. Аíàëèз è àâòîмàòèзèðîâàííîå
ïðîåêòèðîâàíèå.— Мîñêâà: Рàдèî è ñâÿзь, 1990.
16. Kazimierczuk M.K. RF power amplifiers.— USA:
Wiley, 2008.
Дата поступления рукописи
в редакцию 18.10 2013 г.
А. П. ЄФИМОВИЧ, В. Г. КРИЖАНОВСЬКИЙ
Уêðàїíà, Дîíåцьêèé íàціîíàëьíèé óíіâåðñèòåò
E-mail: efimovicha@mail.ru
КОМПЕНСАЦІЯ ПАРАЗИÒНИХ ЕЛЕМЕНÒІВ ÒРАНЗИСÒОРУ
З НАЛАШÒУВАННЯМ ІМПЕДАНСІВ НА ГАРМОНІКАХ
В ПІДСИЛЮВАЧІ КЛАСУ F
Запропоновано методику побудови та розрахунку вихідного навантажувального кола для підсилювача
потужності класу F з додаванням третьої гармоніки напруги, яка дозволяє компенсувати негативний
вплив паразитних елементів транзистору на стоковий ККД підсилювача. Застосування запропоновано-
го кола дозволяє здійснювати оптимізацію стокового ККД підсилювача за допомогою незалежних налаш-
тувань імпедансів на першій та третій гармоніках. Представлено результати моделювання та експе-
риментального дослідження енергетичних характеристик такого підсилювача на арсенід-галлієвому по-
льовому транзисторі CLY15, розрахованого на робочу частоту 400 МГц.
Ключові слова: підсилювач потужності класу F, стоковий ККД, паразитні елементи транзистору,
компенсація, вихідне навантажувальне коло.
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2014 ¹ 1
10
ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ
A. P. YEFYMOVYCH, V. G. KRIZHANOVSKI
Ukraine, Donetsk National University
E-mail: efimovicha@mail.ru
COMPENSATION OF PARASITIC ELEMENTS OF TRANSISTOR
IN THE CLASS F AMPLIFIER WITH THE TUNING
OF IMPEDANCES AT HARMONICS
The authors present a new method of construction and calculation of the output load circuit (OLC) for class F
power amplifiers (PA) with the addition of the third harmonic of the voltage. This method allows compensating
the negative influences of parasitic elements of transistor (output capacitance — COUT, and inductance —
LOUT) on the drain efficiency of the amplifier. The circuit of the parasitic elements was considered as a part
of the proposed OLC. To calculate the OLC a system of three algebraic equations was compiled. The system
is solved numerically relative to the three parameters of the OLC, for which the impedance on a chip of
the transistor (on COUT) for odd and even harmonics corresponds to the theory of class F PAs. This method
is applicable for the calculation of the OLC, which is realized in the frequency range of 300—500 MHz,
where the use of elements with lumped parameters only is not always possible, while using elements
with distributed parameters leads to a substantial increase in the size of the whole amplifier. In the
developed OLC, the authors used elements with both lumped and distributed parameters, thus achieving
a compromise between the geometric dimensions and physical realizability of the circuit elements.
The proposed OLC, taking into account the parasitic elements of the transistor, allows setting impedances
independently at the first and third harmonics while maintaining impedance at the second harmonic
tending to zero. This makes it possible to optimize the drain efficiency at a given level of output power.
The efficiency hd = 72,5% was experimentally obtained at POUT = 1,045 W for the class F amplifier
running at 400 MHz.
The proposed methodology for constructing and calculating the OLC can be used to implement class F
power amplifiers in the integrated-circuit form.
Keywords: class F power amplifier, drain efficiency, parasitic elements of transistor, compensation, output
load circuit.
REFERENCES
1. Krizhanovski V.G., Yefimovych A.P. [Effect of losses
in resonant circuits on the amplifier class F] Radiotekhnika:
vseukr. mezhved. nauch.-tekhn. sb. KhNURE, 2012, no 170,
pp. 59-65.
2. Yefymovych A.P., Krizhanovski V.G. The methods of
compensating parasitic elements of the transistor in class-F
amplifier at the microwave range. Procced. of the 23th
International Crimean Conf. «CriMiCo 2013», Ukraine,
Sevastopol, 2013, pp. 98-99.
3. Kim J., Jo G., Oh J., Kim Y., Lee K., Jong J. Modeling
and design methodology of high-efficiency class-F and
class-F-1 power amplifiers. IEEE Transactions on Microwave
Theory and Techniques, 2011, vol. 59, no 1, pp. 153-165.
4. Moon J., Jee S., Kim J., Kim B. Behaviors of ñlass-F
and class-F-1 amplifiers. IEEE Transactions on Microwave
Theory and Tecniques, 2012, vol. 60, no 6, pp. 1937-1951.
5. Woo Y., Yang Y., Kim B. Analysis and experiments
for high-efficiency class-F and iverse ñlass-F power amplifiers.
IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,
2006, vol. 54, no 5, pp. 1969-1974.
6. Grebennikov A.V. Circuit design technique for high
efficiency ñlass F amplifiers. IEEE MTT-S International
Microwave Symposium Digest, USA, Boston, 2000, vol. 2,
pp. 771-774.
7. Grebennikov A.V. Load network design technique for
class F and inverse class F power amplifiers. High Frequency
Electronics, 2011, vol. 10, no 5, pp. 58-76.
8. Kenle C., Dimitrios P. Design of broadband highly
efficient harmonic-tuned power amplifier using in-band
continuous class-F1/F mode transferring. IEEE Transactions
on Microwave Theory and Techniques, 2012, vol. 60, no 12,
pp. 4107-4116.
9. Raab F. H. Maximum efficiency and output of class-F
power amplifiers. IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques, 2001, vol. 49, no 6, pp. 1162-1166.
10. Colantonio P., Giannini F., Limiti E. HF ñlass F
design guidelines. Procced. of the 15th International. Conf.
Microwaves «Radar and Wireless Communications», Poland,
Warszawa, 2004, vol. 1, pp. 27-38.
11. Falco S., Raffo A., Vadala V., Vannini G. Low-
frequency waveform engineering technique for class-F
microwave power amplifier design. Procced. of the 6th
European Microwave Integrated Circuits Conf. (EuMC),
UK, Manchester, 2011, pp. 288-291.
12. Vadala V., Raffo A., Falco S., Bosi G., Nalli A.,
Vannini G. Load-pull characterization technique accounting
for harmonic tuning. IEEE Transactions on Microwave Theory
and Techniques, 2013, vol. 61, no 7, pp. 2695-2704.
13. Materka A., Kacprzak T. Computer calculation
of large-signal GaAs FET amplifier characteristics. IEEE
Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1985,
vol. 33, no 2, pp. 129-135.
14. Datasheet archive. http://www.allcomponents.ru.
15. Fusko V. SVCh tsepi. Analiz i avtomatizirovannoe
proektirovanie [Microwave circuit. Analysis and computer-
aided design] Moskow, Radio i svyaz', 1990.
16. Kazimierczuk M.K. RF Power Amplifiers, USA,
Wiley, 2008.
DOI: 10.15222/TKEA2014.1.03
UDC 621.75
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70534 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:28:48Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ефимович, А.П. Крыжановский, В.Г. 2014-11-07T20:10:03Z 2014-11-07T20:10:03Z 2014 Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F / А.П. Ефимович, В.Г. Крыжановский // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2014. — № 1. — С. 3-10. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/tkea2014.1.03 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70534 621.375.4 Предложена методика построения и расчета выходной нагрузочной цепи для усилителя мощности класса F с добавлением третьей гармоники напряжения, которая позволяет скомпенсировать негативное влияние паразитных элементов транзистора на стоковый КПД усилителя. Такая цепь позволяет оптимизировать стоковый КПД усилителя с помощью независимой настройки импедансов на первой и третьей гармониках. Представлены результаты моделирования и экспериментального исследования энергетических характеристик такого усилителя на арсенид-галлиевом полевом транзисторе CLY15, рассчитанного на рабочую частоту 400 МГц. Запропоновано методику побудови та розрахунку вихідного навантажувального кола для підсилювача потужності класу F з додаванням третьої гармоніки напруги, яка дозволяє компенсувати негативний вплив паразитних елементів транзистору на стоковий ККД підсилювача. Застосування запропонованого кола дозволяє здійснювати оптимізацію стокового ККД підсилювача за допомогою незалежних налаштувань імпедансів на першій та третій гармоніках. Представлено результати моделювання та експериментального дослідження енергетичних характеристик такого підсилювача на арсенід-галлієвому польовому транзисторі CLY15, розрахованого на робочу частоту 400 МГц. The authors present a new method of construction and calculation of the output load circuit (OLC) for class F power amplifiers (PA) with the addition of the third harmonic of the voltage. This method allows compensating the negative influences of parasitic elements of transistor (output capacitance — COUT, and inductance — LOUT) on the drain efficiency of the amplifier. The circuit of the parasitic elements was considered as a part of the proposed OLC. To calculate the OLC a system of three algebraic equations was compiled. The system is solved numerically relative to the three parameters of the OLC, for which the impedance on a chip of the transistor (on COUT) for odd and even harmonics corresponds to the theory of class F PAs. This method is applicable for the calculation of the OLC, which is realized in the frequency range of 300—500 MHz, where the use of elements with lumped parameters only is not always possible, while using elements with distributed parameters leads to a substantial increase in the size of the whole amplifier. In the developed OLC, the authors used elements with both lumped and distributed parameters, thus achieving a compromise between the geometric dimensions and physical realizability of the circuit elements. The proposed OLC, taking into account the parasitic elements of the transistor, allows setting impedances independently at the first and third harmonics while maintaining impedance at the second harmonic tending to zero. This makes it possible to optimize the drain efficiency at a given level of output power. The efficiency hd = 72,5% was experimentally obtained at POUT = 1,045 W for the class F amplifier running at 400 MHz. The proposed methodology for constructing and calculating the OLC can be used to implement class F power amplifiers in the integrated-circuit form. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре СВЧ-техника Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F Компенсація паразитних елементів транзистору з налаштуванням імпедансів на гармоніках в підсилювачі класу F Compensation of parasitic elements of transistor in the class F amplifier with the tuning of impedances at harmonics Article published earlier |
| spellingShingle | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F Ефимович, А.П. Крыжановский, В.Г. СВЧ-техника |
| title | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F |
| title_alt | Компенсація паразитних елементів транзистору з налаштуванням імпедансів на гармоніках в підсилювачі класу F Compensation of parasitic elements of transistor in the class F amplifier with the tuning of impedances at harmonics |
| title_full | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F |
| title_fullStr | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F |
| title_full_unstemmed | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F |
| title_short | Компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса F |
| title_sort | компенсация паразитных элементов транзистора с настройкой импедансов на гармониках в усилителе класса f |
| topic | СВЧ-техника |
| topic_facet | СВЧ-техника |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70534 |
| work_keys_str_mv | AT efimovičap kompensaciâparazitnyhélementovtranzistorasnastroikoiimpedansovnagarmonikahvusiliteleklassaf AT kryžanovskiivg kompensaciâparazitnyhélementovtranzistorasnastroikoiimpedansovnagarmonikahvusiliteleklassaf AT efimovičap kompensacíâparazitnihelementívtranzistoruznalaštuvannâmímpedansívnagarmoníkahvpídsilûvačíklasuf AT kryžanovskiivg kompensacíâparazitnihelementívtranzistoruznalaštuvannâmímpedansívnagarmoníkahvpídsilûvačíklasuf AT efimovičap compensationofparasiticelementsoftransistorintheclassfamplifierwiththetuningofimpedancesatharmonics AT kryžanovskiivg compensationofparasiticelementsoftransistorintheclassfamplifierwiththetuningofimpedancesatharmonics |