Методика расчета и исследование усилителя класса Е
Рассмотрены уравнения, описывающие режимы работы и параметры конструктивных элементов усилителя класса Е. Экспериментально исследованы частотные и энергетические характеристики усилителя с высокодобротной выходной цепью со стоковым КПД 83% на частоте 800 кГц. Приведенная методика может использоватьс...
Saved in:
| Published in: | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
|---|---|
| Date: | 2001 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
2001
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70868 |
| 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: | Методика расчета и исследование усилителя класса Е / В.Г. Крыжановский, А.Н. Рудякова, Д.В. Чернов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2001. — № 4-5. — С. 11-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860242948023648256 |
|---|---|
| author | Крыжановский, В.Г. Рудякова, А.Н. Чернов, Д.В. |
| author_facet | Крыжановский, В.Г. Рудякова, А.Н. Чернов, Д.В. |
| citation_txt | Методика расчета и исследование усилителя класса Е / В.Г. Крыжановский, А.Н. Рудякова, Д.В. Чернов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2001. — № 4-5. — С. 11-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Технология и конструирование в электронной аппаратуре |
| description | Рассмотрены уравнения, описывающие режимы работы и параметры конструктивных элементов усилителя класса Е. Экспериментально исследованы частотные и энергетические характеристики усилителя с высокодобротной выходной цепью со стоковым КПД 83% на частоте 800 кГц. Приведенная методика может использоваться для конструирования высокоэффективных ВЧ-усилителей класса Е.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:32:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2001, ¹ 4�5 11
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ
Îïèñàíû ïðèíöèïû ïîñòðîåíèÿ óñèëè-
òåëÿ, íà îñíîâå êîòîðûõ ðàññ÷èòàíà
ñõåìà è ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàí
óñèëèòåëü ñî ñòîêîâûì ÊÏÄ 83% íà
÷àñòîòå 800 êÃö.
Óñèëèòåëè êëàññà Å îòíîñÿòñÿ ê ïîëèðåàêòèâ-
íûì óñèëèòåëÿì [1], îáëàäàþùèì âûñîêèì çíà÷åíè-
åì ïîëíîãî ÊÏÄ. Ïðåäïî÷òèòåëüíàÿ îáëàñòü èõ èñ-
ïîëüçîâàíèÿ � ãåíåðàòîðû Â×-ìîùíîñòè äëÿ òåõ-
íîëîãè÷åñêèõ ïðèìåíåíèé, óñèëèòåëè ñ óçêîé ïîëî-
ñîé ïðîïóñêàíèÿ (ïðè óñëîâèè, ÷òî ïðèåìëåì èõ óðî-
âåíü íåëèíåéíûõ èñêàæåíèé), óñèëèòåëè ôàçîìîäó-
ëèðîâàííîãî ñèãíàëà, ïðåîáðàçîâàòåëè ïîñòîÿííîãî
òîêà â ïîñòîÿííûé òîê (êîíâåðòîðû).
 íàñòîÿùåå âðåìÿ òåîðèÿ è ïðàêòèêà èñïîëü-
çîâàíèÿ ýòèõ óñèëèòåëåé äîñòàòî÷íî ðàçðàáîòàíû,
÷òîáû èõ ïðèìåíåíèå áûëî óñëîâèåì ñîçäàíèÿ êîí-
êóðåíòîñïîñîáíîé ïðîäóêöèè. Öåëü äàííîé ðàáîòû
� âîñïîëíèòü íåäîñòàòîê ñâåäåíèé îá óñèëèòåëÿõ
êëàññà Å â îòå÷åñòâåííîé ëèòåðàòóðå è ïðåäëîæèòü
ìåòîäèêó ðàñ÷åòà ìîäåëüíîãî óñèëèòåëÿ êëàññà Å,
íà ïðèìåðå êîòîðîãî ìîæíî èçó÷èòü èäåîëîãèþ è
ïðîáëåìû êîíñòðóèðîâàíèÿ äàííîãî êëàññà óñèëè-
òåëåé [2, 3].
Òåîðåòè÷åñêèé àíàëèç
Áàçîâàÿ ñõåìà óñèëèòåëÿ êëàññà Å ïîêàçàíà íà
ðèñ. 1, à [2].  êà÷åñòâå àêòèâíîãî ïðèáîðà (ÀÏ)
ìîãóò èñïîëüçîâàòüñÿ ïîëåâûå è áèïîëÿðíûå òðàí-
çèñòîðû. Íà ðèñ. 1, á èçîáðàæåíà ñõåìà, íà êîòîðîé â
ýêâèâàëåíòíûé êîíäåíñàòîð Ñ1 âõîäèò âûõîäíàÿ
åìêîñòü òðàíçèñòîðà CDS, â ñîïðîòèâëåíèå R âõîäèò
êàê ñîáñòâåííî ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè RL, òàê è
ýêâèâàëåíòíîå ñîïðîòèâëåíèå ïîòåðü RIN, âêëþ÷àþ-
ùåå ñîïðîòèâëåíèå ïîòåðü êàòóøêè èíäóêòèâíîñòè,
ñîïðîòèâëåíèå òðàíçèñòîðà â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè è
âûñîêî÷àñòîòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ ïîòåðü â êîíäåí-
ñàòîðàõ Ñ1 è Ñ2 [2]. Èíäóêòèâíîñòü L2 ðàçáèòà íà
äâå ÷àñòè äëÿ îáúÿñíåíèÿ ìåòîäà îïðåäåëåíèÿ íî-
ìèíàëîâ ýëåìåíòîâ óñèëèòåëÿ.
 áîëüøèíñòâå Â×-óñèëèòåëåé ìîùíîñòè îñíîâ-
íûå ïîòåðè ýíåðãèè ïðîèñõîäÿò â ìîùíîì òðàíçèñ-
òîðå, è îñíîâíàÿ èäåÿ óñèëèòåëÿ êëàññà Å � ýòî
ìèíèìèçàöèÿ ýòèõ ïîòåðü.
Äëÿ ðåàëèçàöèè ýòîãî ïðèíöèïà òðàíçèñòîð äîë-
æåí ðàáîòàòü â êëþ÷åâîì ðåæèìå ñ îáÿçàòåëüíûì
óñëîâèåì: ÷àñòü ïåðèîäà âõîäíîãî ñèãíàëà äîëæíà
íàõîäèòüñÿ â ñîñòîÿíèè îòñå÷êè (ò. å. ñ ìèíèìàëü-
íûì ïðîòåêàþùèì òîêîì), à ÷àñòü � â ñîñòîÿíèè
íàñûùåíèÿ (ò. å. ñ ìèíèìàëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì).
Óñëîâèå ìèíèìóìà ðàññåÿíèÿ ýíåðãèè áóäåò âûïîë-
íÿòüñÿ ïðè ìèíèìàëüíîé âåëè÷èíå ïðîèçâåäåíèÿ òîêà
è íàïðÿæåíèÿ, ïðèëîæåííîãî ê òðàíçèñòîðó. Ýòî
÷àñòíûé ñëó÷àé îáùèõ óñëîâèé ìèíèìèçàöèè [1].
Ðàññåèâàåìàÿ ìîùíîñòü ðàâíà ïðîèçâåäåíèþ íà-
ïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå íà òîê ÷åðåç òðàíçèñòîð,
ïðîèíòåãðèðîâàííîìó çà ïåðèîä âûñîêî÷àñòîòíîãî
êîëåáàíèÿ. Ìèíèìèçèðîâàòü ðàññåèâàåìóþ ìîùíîñòü
ìîæíî ïðè óñëîâèè, ÷òî âûñîêèé òîê ÷åðåç òðàíçèñ-
òîð è âûñîêîå íàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå íå ñóùå-
ñòâóþò îäíîâðåìåííî. Ýòî óñëîâèå ìîæåò áûòü
âûïîëíåíî ïðè ïðàâèëüíîì êîíñòðóèðîâàíèè âû-
õîäíîé öåïè óñèëèòåëÿ êëàññà E, êîòîðàÿ äîëæíà
îáåñïå÷èâàòü óñëîâèÿ ðåàëèçàöèè óñèëèòåëÿ ñ âû-
ñîêèì ÊÏÄ. (Â óñèëèòåëÿõ êëàññîâ À, Â, Ñ îñíîâ-
íîé çàäà÷åé âûõîäíîé ñîãëàñóþùåé öåïè ÿâëÿåòñÿ
ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÐÀÑ×ÅÒÀ È ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ
ÓÑÈËÈÒÅËß ÊËÀÑÑÀ Å
Ê. ô.-ì. í. Â. Ã. ÊÐÛÆÀÍÎÂÑÊÈÉ, À. Í. ÐÓÄßÊÎÂÀ,
Ä. Â. ×ÅÐÍÎÂ
Óêðàèíà, Äîíåöêèé íàöèîíàëüíûé óí-ò
E-mail: apex@dongu.donetsk.ua
Äàòà ïîñòóïëåíèÿ â ðåäàêöèþ
03.05 2001 ã.
Îïïîíåíò ê. ò. í. Ë. Ä. ÇÓÁÊÎ
Ðèñ. 1. Ñõåìà óñèëèòåëÿ êëàññà Å:
à � êàíîíè÷åñêàÿ ñõåìà; á � ñõåìà íà ïîëåâîì òðàíçèñòîðå äëÿ ìîäåëèðîâàíèÿ
á)
Uïèò
L
L2
Lr
C2
C1CDS C11
R
RIN
RL
VT1
L1
Âõîä
à)
AÏ
Uâõ
Uïèò
L1 L2
C1
C2
R
2*
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2001, ¹ 4�512
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ
îáåñïå÷åíèå óñëîâèÿ òðàíñôîðìàöèè èìïåäàíñà íà-
ãðóçêè â êîìïëåêñíî ñîïðÿæåííûé âûõîäíîé èìïå-
äàíñ òðàíçèñòîðà íà îñíîâíîé ÷àñòîòå.) Îòñþäà ìîæ-
íî ñäåëàòü âûâîä: ââèäó îòñóòñòâèÿ ñîãëàñîâàíèÿ â
âûõîäíîé öåïè áóäåò ïðîèñõîäèòü íàêîïëåíèå ýíåð-
ãèè è áóäóò íàáëþäàòüñÿ ðåçîíàíñíûå ÿâëåíèÿ. Îò-
ìåòèì, ÷òî äëÿ óñèëèòåëåé ñ âûñîêèì ÊÏÄ óñëîâèÿ
ïîëó÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé âûõîäíîé ìîùíîñòè è ìàê-
ñèìàëüíîãî ÊÏÄ íå ñîâïàäàþò.
Êîíöåïòóàëüíûå «öåëåâûå» ôîðìû âîëí íàïðÿ-
æåíèÿ è òîêà òðàíçèñòîðà, êîòîðûå îòâå÷àþò òðåáî-
âàíèÿì ðåàëèçàöèè âûñîêîãî ÊÏÄ, ïîêàçàíû â [1,
ðèñ. 1]. Òðàíçèñòîð ðàáîòàåò â êëþ÷åâîì ðåæèìå,
ïðè÷åì ïðîèçâåäåíèå òîêà íà íàïðÿæåíèå ìàëî â òå-
÷åíèå âñåãî ïåðèîäà Â×-êîëåáàíèé, ïîòîìó ÷òî ïðè
«âêëþ÷åííîì» òðàíçèñòîðå ïðîòåêàíèå âûñîêîãî
òîêà íå ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ çíà÷èòåëüíîãî íà-
ïðÿæåíèÿ, ò. ê. òðàíçèñòîð ðàáîòàåò â êà÷åñòâå íèç-
êîîìíîãî çàìêíóòîãî ïåðåêëþ÷àòåëÿ.  «âûêëþ-
÷åííîì» ñîñòîÿíèè íàïðÿæåíèå âûñîêîå, íî òîê ïî-
÷òè íóëåâîé ââèäó âûñîêîãî ñîïðîòèâëåíèÿ çàêðû-
òîãî òðàíçèñòîðà � ðàçîìêíóòîãî ïåðåêëþ÷àòåëÿ.
Ñóììà ñîñòîÿíèé «âêëþ÷åíî» è «âûêëþ÷åíî»
ðàâíà ïåðèîäó âõîäíîãî ñèãíàëà. Â ðåàëüíûõ ñèñ-
òåìàõ, íåñìîòðÿ íà âñå óñèëèÿ ðàçðàáîò÷èêà ñäå-
ëàòü âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ìèíèìàëüíûì, ýòî âðåìÿ,
îñîáåííî íà âûñîêèõ ÷àñòîòàõ, ñîñòàâëÿåò çàìåò-
íóþ äîëþ Â×-ïåðèîäà. Óñèëèòåëè êëàññà Å äåìîí-
ñòðèðóþò âûñîêèé ÊÏÄ äàæå â ñëó÷àÿõ, êîãäà âðå-
ìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ ñîñòàâëÿåò äî 30% ïåðèîäà âõîä-
íîãî ñèãíàëà. Èçáåæàòü âûñîêîãî çíà÷åíèÿ ïðîèç-
âåäåíèÿ òîêà íà íàïðÿæåíèå âî âðåìÿ ïåðåêëþ÷å-
íèÿ òðàíçèñòîðà óäàåòñÿ áëàãîäàðÿ ñëåäóþùåé ñòðà-
òåãèè:
� âîçðàñòàíèå íàïðÿæåíèÿ íà òðàíçèñòîðå çà-
äåðæèâàåòñÿ äî òåõ ïîð, ïîêà òîê ÷åðåç òðàíçèñòîð
íå óïàäåò äî íóëÿ;
� íàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå âîçâðàùàåòñÿ ê
íóëåâîìó óðîâíþ äî òîãî ìîìåíòà, êîãäà íà÷èíàåò
ïîâûøàòüñÿ òîê ÷åðåç íåãî.
Òàêæå óìåíüøàþò ðàññåÿíèå ýíåðãèè â òðàíçèñ-
òîðå äâà äîïîëíèòåëüíûõ óñëîâèÿ:
� íàïðÿæåíèå íà òðàíçèñòîðå â ìîìåíò âêëþ÷å-
íèÿ (çàìûêàíèå ïåðåêëþ÷àòåëÿ) � íîìèíàëüíî íóëü
(èëè íàïðÿæåíèå íàñûùåíèÿ äëÿ áèïîëÿðíîãî òðàí-
çèñòîðà).  òàêîì ñëó÷àå ÷åðåç òðàíçèñòîð íå ïðî-
òåêàåò çàðÿä, íàêîïëåííûé â çàðÿæåííîì êîíäåíñà-
òîðå Ñ1 (ðèñ. 1), ÷òî ïîçâîëÿåò èçáåæàòü ðàññåÿíèÿ
ýíåðãèè, ðàâíîé C1U
2/2, ãäå U � íà÷àëüíîå íàïðÿ-
æåíèå íà òðàíçèñòîðå. Åìêîñòü Ñ1 âêëþ÷àåò â ñåáÿ
âûõîäíóþ åìêîñòü òðàíçèñòîðà è âñå âíåøíèå åì-
êîñòè, ïîäêëþ÷åííûå ê åãî âûõîäó;
� cêîðîñòü èçìåíåíèÿ íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò
âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà ðàâíà íóëþ. Ýòî ïðèâîäèò
ê ïëàâíîìó ïîâûøåíèþ òîêà ÷åðåç òðàíçèñòîð (ê
çàäåðæêå íà÷àëà åãî ïðîòåêàíèÿ), ÷òî ñíèæàåò ðàñ-
ñåèâàåìóþ ìîùíîñòü i2R1, ãäå R1 � ñîïðîòèâëåíèå
òðàíçèñòîðà â ïåðåõîäíûé ìîìåíò âêëþ÷åíèÿ, äàæå
åñëè ýòî âðåìÿ ñîñòàâëÿåò äî 30% ïåðèîäà Â×-
ñèãíàëà.
Öåïè êëàññà Å ðàçðàáàòûâàþòñÿ èñõîäÿ èç ðåøå-
íèÿ ñèñòåìû óðàâíåíèé äëÿ óñòàíîâèâøåãîñÿ ïåðèî-
äè÷åñêîãî îòêëèêà öåïè, ñîñòîÿùåé èç íåèäåàëüíûõ
êàòóøåê èíäóêòèâíîñòè è êîíäåíñàòîðîâ, ïðè ðàáî-
òå ðåàëüíûõ òðàíçèñòîðîâ ñ ñîáëþäåíèåì ñëåäóþ-
ùèõ óñëîâèé:
� íàïðÿæåíèå èìååò íóëåâóþ âåëè÷èíó è íóëå-
âóþ êðóòèçíó â ìîìåíò âêëþ÷åíèÿ òðàíçèñòîðà;
� ïîâûøåíèå íàïðÿæåíèÿ â ìîìåíò âûêëþ÷å-
íèÿ òðàíçèñòîðà çàäåðæèâàåòñÿ ïî îòíîøåíèþ ê
âõîäíîìó ñèãíàëó;
� íàïðÿæåíèå íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè áëèç-
êî ê ñèíóñîèäàëüíîìó ïðè îáåñïå÷åíèè òðåáóåìîé
âûñîêî÷àñòîòíîé ìîùíîñòè ïðè âûáðàííîì íàïðÿ-
æåíèè ïèòàíèÿ.
Àíàëèç èäåàëèçèðîâàííîãî ðåæèìà óñèëèòåëÿ
êëàññà Å
Äëÿ óïðîùåíèÿ àíàëèçà ðàáî÷èõ õàðàêòåðèñòèê
è ôèçè÷åñêèõ ïðèíöèïîâ äåéñòâèÿ óñèëèòåëÿ êëàñ-
ñà Å [2�8] ïðèìåì íåñêîëüêî äîïóùåíèé.
1. Äëèòåëüíîñòü ñîñòîÿíèÿ «âêëþ÷åíî» çàíèìà-
åò 50% ïåðèîäà ñèãíàëà.
2. Àêòèâíûé ïðèáîð îáëàäàåò ñâîéñòâàìè èäå-
àëüíîãî ïåðåêëþ÷àòåëÿ � íóëåâîå ñîïðîòèâëåíèå â
ñîñòîÿíèè «âêëþ÷åíî» (çàìêíóòûé êëþ÷) è áåñêî-
íå÷íîå ñîïðîòèâëåíèå â ñîñòîÿíèè «âûêëþ÷åíî» (ðà-
çîìêíóòûé êëþ÷).
3. Åìêîñòü Ñ1 ëèíåéíà.
4. Âñå ïîòåðè öåïè ïðåäñòàâëåíû ñîïðîòèâëåíè-
åì R, êîòîðîå ðàâíî ñóììå ñîïðîòèâëåíèÿ íàãðóçêè,
ñîïðîòèâëåíèÿ ïîòåðü â èíäóêòèâíîñòè è ñîïðîòèâ-
ëåíèÿ ïîòåðü â åìêîñòÿõ.
5. Äðîññåëü L1 ñ÷èòàåòñÿ èäåàëüíûì.
6. Öåïü L2�C2 èìååò âûñîêóþ äîáðîòíîñòü, à
òîê, ïðîòåêàþùèé â âûõîäíîé öåïè, î÷åíü áëèçîê ê
ñèíóñîèäàëüíîìó.
Îïðåäåëèì õà-
ðàêòåðíûå ñâîéñòâà
óñèëèòåëÿ êëàññà Å
ñ âûñîêîäîáðîòíîé
âûõîäíîé öåïüþ.
Íà ðèñ. 2 ïîêà-
çàíà ýêâèâàëåíòíàÿ
ñõåìà óñèëèòåëÿ
ïðè ýòèõ äîïóùåíè-
ÿõ. Çäåñü ýêâèâà-
ëåíòíûé èñòî÷íèê òîêà I ñîñòîèò èç ãåíåðàòîðîâ
ïîñòîÿííîãî òîêà IDS è ñèíóñîèäàëüíîãî òîêà IRF:
I=IDS+IRF=IDS(1�a sin(ωt+φ)), (1)
Êîãäà êëþ÷ íàõîäèòñÿ â ïîëîæåíèè «âêëþ÷å-
íî», íàïðÿæåíèå íà íåì ðàâíî íóëþ, íî ÷åðåç íåãî
ïðîòåêàåò òîê ãåíåðàòîðà.  ïîëîæåíèè «âûêëþ÷å-
íî» òîê ÷åðåç êëþ÷ ðàâåí íóëþ, íî ïåðåìåííàÿ ñî-
ñòàâëÿþùàÿ òîêà ïðîäîëæàåò ïðîòåêàòü ÷åðåç øóí-
òèðóþùèé êîíäåíñàòîð Ñ1, è íàïðÿæåíèå íà íåì áó-
äåò îïðåäåëÿòüñÿ âûðàæåíèåì
Ðèñ. 2. Ýêâèâàëåíòíàÿ ñõåìà
óñèëèòåëÿ
I
IS
S C1
ãäå à =
ω �
t �
φ �
|IRF| / |IDS|;
÷àñòîòà;
âðåìÿ;
ñäâèã ôàç ìåæäó âõîäíûì ñèãíàëîì, îïðåäåëÿ-
þùèì âðåìÿ ïåðåêëþ÷åíèÿ êëþ÷à, è ñèíóñîè-
äàëüíûì òîêîì IRF.
US
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2001, ¹ 4�5 13
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ
( ) ( )( ) .sin1
1
01
∫ ′φ+′ω−=
t
DSs tdtaI
C
tu (2)
Åñëè ïðèíÿòü óñëîâèå äëÿ óñèëèòåëåé êëàññà Å,
÷òî us(0)=0, òî
( ) ( )[ ]{ }φ−φ+ω+ω
ω
= coscos
1
tat
C
I
tu DS
s . (3)
×òîáû íàéòè êîýôôèöèåíòû à è φ, ïðèìåì åùå
äâà óñëîâèÿ:
us(T/2)=0 ;
( )
0
2
=
dt
Tdus
,
ãäå Ò � ïåðèîä âõîäíîãî ñèãíàëà.
Òîãäà, èñïîëüçóÿ ôîðìóëó (3) è ýòè óñëîâèÿ, â
ðåçóëüòàòå ïðåîáðàçîâàíèé ïîëó÷èì:
−=φ
π=φ
.
1
sin
;
2
cos
a
a
Ðåøèì ïîëó÷åííóþ ñèñòåìó óðàâíåíèé:
;sin
2
cos φπ−=φ
;48,32
2
arctg °−≈
π
−=φ (6)
.862,1
sin
1 ≈
φ
=a (7)
Ýòè äâà ïàðàìåòðà ÿâëÿþòñÿ õàðàêòåðíûìè ïî-
ñòîÿííûìè äëÿ ëþáîãî óñèëèòåëÿ êëàññà Å ñ âûñî-
êîäîáðîòíîé âûõîäíîé öåïüþ. Îòñþäà ñëåäóåò óñ-
ëîâèå íà äîáðîòíîñòü âûõîäíîé öåïè � îíà äîëæ-
íà áûòü äîñòàòî÷íîé, ÷òîáû àìïëèòóäà ïåðåìåííîãî
òîêà ïðåâîñõîäèëà âåëè÷èíó ïîñòîÿííîãî òîêà.
Íàéäåì îòíîøåíèÿ ìåæäó UDS è IDS.
UDS � ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ íàïðÿæåíèÿ
íà âûêëþ÷àòåëå us(t). Óñðåäíåíèå ïî âðåìåíè íà-
ïðÿæåíèÿ âûêëþ÷àòåëÿ çà ïåðèîä äàåò (ó÷èòûâàÿ,
÷òî ïîëîâèíó ïåðèîäà îíî ðàâíî íóëþ):
∫ ==
2
2
–
)(
1
T
T
sDS dttu
T
U
[ ]{ } .cos)cos(
1
1
2
0 1 C
I
dttat
C
I
T
DS
T
DS
πω
=φ−φ+ω+ω
ω
= ∫ (8)
Òàêèì îáðàçîì, ìîùíîñòü ïîñòîÿííîãî òîêà ðàâíà
PDS=IDSUDS= πωC1UDS
2 . (9)
Ìîæíî îïðåäåëèòü ñîïðîòèâëåíèå óñèëèòåëÿ ïî
âåëè÷èíå ïîñòîÿííîãî òîêà (ïî ïîòðåáëÿåìîé ìîù-
íîñòè). Ïðèðàâíèâàÿ âûõîäíóþ ìîùíîñòü ê ìîùíî-
ñòè, ïîòðåáëÿåìîé îò èñòî÷íèêà ïîñòîÿííîãî òîêà,
çàïèøåì:
IDS
2 RDS=I2
RFR/2. (10)
Îòñþäà
RDS=a2R/2≈1,734R. (11)
Íàéäåì ïàðàìåòðû ýëåìåíòîâ öåïè, îñíîâûâàÿñü
íà òîì, ÷òî ïåðâàÿ ãàðìîíèêà íàïðÿæåíèÿ íà àêòèâ-
íîì ýëåìåíòå ÿâëÿåòñÿ âåêòîðíîé ñóììîé íàïðÿæå-
íèé ïåðâîé ãàðìîíèêè íà ñîïðîòèâëåíèè íàãðóçêè
UR1 è ðåàêòèâíîì ñîïðîòèâëåíèè öåïî÷êè ýëåìåí-
òîâ C2� L2 UX1.
UR1=aIDSR; (12)
UÕ1=aIDSωL, (13)
ãäå ωL=X � ýêâèâàëåíòíîå ñîïðîòèâëåíèå öåïî÷êè
C2�L2 íà ðàáî÷åé ÷àñòîòå.
Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ýòè æå íàïðÿæåíèÿ ðàâíû ñî-
îòâåòñòâåííî ñèíóñíîé è êîñèíóñíîé ñîñòàâëÿþùåé
ïåðâîé ãàðìîíèêè íàïðÿæåíèÿ íà ñòîêå/êîëëåêòîðå
àêòèâíîãî ïðèáîðà ïðè âûáîðå çà áàçîâûé ñèãíàë
sin(ωt+φ):
;1
1
1 S
DS
R C
I
U ν
ω
=
(14)
[ ]{ } )()sin(cos)cos(
1
0
1 tdttatS ωφ+ωϕ−φ+ω+ω
π
=ν ∫
π
.
Ââîäÿ ïåðåìåííóþ z = (ωt+φ), ïóòåì ïîñëåäîâà-
òåëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé ïîëó÷èì, ó÷èòûâàÿ (4) è (5):
{ }
π
=φ−+φ
π
=ν ∫
φ+π
a
zdzzazS
2
sin)cos(cos)–(
1
0
1 . (15)
Ñëåäîâàòåëüíî,
.
2
1
1 πω
=
aC
I
U DS
R (16)
Ïðèðàâíèâàÿ (12) è (16), ïîëó÷èì:
fRRRa
C
π
=
ω
=
πω
=
2
1836,01836,02
21 . (17)
Àíàëîãè÷íî (14),
{ } .
2
2–
cos)cos–(cos)–(
1
;
2
1
1
1
1
a
a
zdzzaz
C
I
U
C
C
DS
X
=φ+φ
π
=ν
ν
ω
=
∫
φ+π
φ
(18)
Òîãäà
.152,1
4
)2( 2
R
a
RLX =−π=ω= (19)
Òåïåðü îïðåäåëèì çíà÷åíèÿ ýëåìåíòîâ Ñ2 è L2.
Èñõîäíîé ïðåäïîñûëêîé ÿâëÿëîñü ïðåäïîëîæå-
íèå, ÷òî âûõîäíàÿ öåïü îáëàäàåò âûñîêîé äîáðîòíî-
ñòüþ QL=ωL2 /R. Âåëè÷èíà äîáðîòíîñòè ìîæåò áûòü
ïðèíÿòà â êà÷åñòâå íåçàâèñèìîãî ïàðàìåòðà, ò. ê. åå
âåëè÷èíà íà ïðàêòèêå îïðåäåëÿåòñÿ êîíñòðóêòèâíû-
ìè õàðàêòåðèñòèêàìè èñïîëüçóåìûõ ýëåìåíòîâ è ñî-
ïðîòèâëåíèåì íàãðóçêè. Èñïîëüçóÿ ñîîòíîøåíèÿ
è
rLC2
1=ω
(20)
L2=Lr+L, (21)
ïîëó÷èì
,
)152,1(
11
22 −ω
=
ω
=
Lr QRL
C (22)
(4)
(5)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2001, ¹ 4�514
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ
ãäå Lr � ÷àñòü èíäóêòèâíîñòè L2, îáðàçóþùàÿ èäå-
àëüíûé ïîñëåäîâàòåëüíûé êîíòóð.
Åñëè âçÿòü çà íåçàâèñèìóþ âåëè÷èíó Ñ2, òî
.
152,11
2
22 ω
+
ω
= R
C
L (23)
Òàêèì îáðàçîì, â ïðåäïîëîæåíèè ñèíóñîèäàëüíî-
ñòè âûõîäíîãî òîêà óñèëèòåëÿ êëàññà Å îïðåäåëåíû
ýëåìåíòû åãî ñõåìû, åñëè çàäàíî ñîïðîòèâëåíèå R.
Ýòî ñîïðîòèâëåíèå îïðåäåëÿåòñÿ èñõîäÿ èç òðåáóå-
ìîé ìîùíîñòè óñèëèòåëÿ PÂ× è âûáðàííîãî íàïðÿæå-
íèÿ ïèòàíèÿ UDS. Èç (10)
.577,0
2
;
2
22
Â×
2
Â×
2
2
2
2222
Â×
P
U
Pa
U
R
Ra
URIaRI
P
DSDS
DSDSRF
==
===
(24)
Ýëåìåíòû, îïðåäåëåííûå ïî ýòèì ôîðìóëàì, áó-
äåì íàçûâàòü èäåàëüíûìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè 100%
ÊÏÄ. Áîëåå òî÷íûå çíà÷åíèÿ ýëåìåíòîâ ìîæíî îï-
ðåäåëèòü ïî ðåçóëüòàòàì ìîäåëèðîâàíèÿ óñèëèòåëÿ
êëàññà Å ñ ïîìîùüþ îäíîé èç ïðîãðàìì ñõåìîòåõíè-
÷åñêîãî ìîäåëèðîâàíèÿ. Ñïåöèàëüíî äëÿ ðàñ÷åòà óñè-
ëèòåëåé êëàññà Å ðàçðàáîòàíà ïðîãðàììà HEPA [9],
îáëàäàþùàÿ ðÿäîì ïðåèìóùåñòâ ïðè ðåøåíèè äàí-
íîé çàäà÷è.
 íàñòîÿùåå âðåìÿ óñèëèòåëè êëàññà Å, ðàññ÷è-
òàííûå ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðèâåäåííîãî ïîäõîäà, ðà-
áîòàþò íà ÷àñòîòàõ äî íåñêîëüêèõ ãèãàãåðö.
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè óñèëèòåëÿ
êëàññà Å
Ïðèâåäåì ïðèìåð ðàñ÷åòà êîíêðåòíîãî óñèëèòå-
ëÿ êëàññà Å è ñðàâíèì ñ óñèëèòåëåì èç [8]. Íàøà
çàäà÷à � ïîëó÷èòü ìàêñèìàëüíûé ÊÏÄ, ñ÷èòàÿ ïî-
ëåçíîé ìîùíîñòü, ðàññåèâàåìóþ íà RL. Äëÿ ýòîãî,
ó÷èòûâàÿ äîñòóïíóþ ýëåìåíòíóþ áàçó, ïðîâåäåì îï-
òèìèçàöèþ ÊÏÄ, èçìåíÿÿ ðàáî÷óþ ÷àñòîòó è äîá-
ðîòíîñòü. Â ðåçóëüòàòå áûë âûáðàí âàðèàíò óñèëè-
òåëÿ íà 800 êÃö ñ QL=11,9. Èñïîëüçîâàëñÿ, êàê è â
[8], ïîëåâîé òðàíçèñòîð MTP 3055E (Ìîòîðîëà),
èìåþùèé â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè ñîïðîòèâëåíèå êà-
íàëà RON=0,15 Îì. Â èññëåäóåìîì óñèëèòåëå ìîù-
íîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè ýòîãî òðàíçèñòîðà èñïîëü-
çóþòñÿ ëèøü íà íåñêîëüêî ïðîöåíòîâ. Óæå íà ÷àñ-
òîòå 800 êÃö ïðîÿâëÿåòñÿ âëèÿíèå åãî áîëüøîé âõîä-
íîé åìêîñòè, íî íèçêîå çíà÷åíèå RON ïîçâîëÿåò ïî-
ëó÷èòü âûñîêèé ÊÏÄ ïðè íèçêîì íàïðÿæåíèè ïèòà-
íèÿ. Îäíàêî ïðèìåíåíèå ýòîãî òðàíçèñòîðà îãðàíè-
÷èâàåò ðàáî÷óþ ÷àñòîòó èññëåäîâàííîãî óñèëèòåëÿ.
 òàáëèöå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà èäåàëü-
íîãî óñèëèòåëÿ, ìîäåëèðîâàíèÿ è ýêñïåðèìåíòà. (Ïðè-
âåäåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà óñèëèòåëÿ ñ èñïîëüçîâà-
íèåì ïðîãðàììû Harmonica ïðîãðàììíîãî êîìïëåê-
ñà Ansoft Serenade [10]. Ñîïðîòèâëåíèå íàãðóçêè
RL ïðèâîäèòñÿ êàê ðàçíîñòü ìåæäó îáùèì ñîïðî-
òèâëåíèåì R è ñîïðîòèâëåíèåì ïîòåðü RIN. Ñîïðî-
òèâëåíèå RIN âêëþ÷àåò â ñåáÿ ñîïðîòèâëåíèå èí-
äóêòèâíîñòè L2 íà ðàáî÷åé ÷àñòîòå è ñîïðîòèâëåíèå
òðàíçèñòîðà â îòêðûòîì ñîñòîÿíèè RON, âçÿòîå ñ
ïîïðàâî÷íûì êîýôôèöèåíòîì 1,365 [2].)
 ýêñïåðèìåíòàëüíîì îáðàçöå èíäóêòèâíîñòü L2
íàìîòàíà íà êàðêàñå äèàìåòðîì 3,8 ñì è ñîäåðæèò
28,5 âèòêîâ ïðîâîäà ËÝØÎ 32. Åå íåíàãðóæåííàÿ
äîáðîòíîñòü ðàâíà 190. Äðîññåëü L1 � 0,48 ìÃí.
Óñèëèòåëü, ñîáðàííûé èç ýëåìåíòîâ, èìåþùèõ ðàñ-
÷åòíûå çíà÷åíèÿ (ñ ó÷åòîì ïàðàçèòíûõ åìêîñòåé,
èíäóêòèâíîñòåé è ñîïðîòèâëåíèé), ñðàçó ïîêàçûâàåò
îæèäàåìûå õàðàêòåðèñòèêè. Ïðè îòêëîíåíèÿõ íî-
ìèíàëîâ ýëåìåíòîâ íåîáõîäèìà ïîäñòðîéêà. Â íà-
øåì ñëó÷àå ïðîèçâîäèëñÿ ïîäáîð åìêîñòåé Ñ1 è Ñ2.
Êðèòåðèåì ïîäñòðîéêè âûñòóïàëà ôîðìà íàïðÿæå-
íèÿ íà ñòîêå òðàíçèñòîðà (ðèñ. 3), êîòîðàÿ äîëæíà
áûëà óäîâëåòâîðÿòü óñëîâèÿì (4) è (5).
 ïðîöåññå ðàáîòû ïîëó÷åíû ôîðìû íàïðÿæåíèÿ
ñòîêà è âûõîäíîãî íàïðÿæåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùèå
ðåæèìó ðàáîòû óñèëèòåëÿ êëàññà Å ñ ìàêñèìàëüíûì
ÊÏÄ (ðèñ. 3 è 4). Òàêæå áûëè èçìåðåíû ÷àñòîòíûå
çàâèñèìîñòè âûõîäíîé ìîùíîñòè è ñòîêîâîãî ÊÏÄ,
êîòîðûå ïîêàçàëè õîðîøåå êà÷åñòâåííîå ñîâïàäå-
Ïàðà-
ìåòðû
Èäåàëü-
íûé óñè-
ëèòåëü
Ìîäåëü
Ýêñïå-
ðèìåíò
Vïèò, Â 4,5 4,5 4,5
IDS, ìÀ 294 225 228
C1, ïÔ 3290,43 3290,43 3228
C2, ïÔ 1612,66 1612,66 1616
L2, ìêÃí 27,0 27,0 27,2
RL, Îì 10,5 10,5 10,5
R, Îì 11,40 11,40 11,42
Pâûõ, Âò 0,907 0,880 0,84
ÊÏÄ 0,90 0,87 0,83
V
ds
(
m
tp
3
05
5
E
)
[V
]
á) 20
15
10
5
0
�5
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5
Time [usec]
Ðèñ. 3. Ôîðìà íàïðÿæåíèÿ
íà ñòîêå:
à � ýêñïåðèìåíò; á � òåîðèÿ
à)
Ðèñ. 4. Ôîðìà âûõîäíî-
ãî íàïðÿæåíèÿ (ýêñïåðè-
ìåíò)
Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2001, ¹ 4�5 15
ÏÐÎÅÊÒÈÐÎÂÀÍÈÅ. ÊÎÍÑÒÐÓÈÐÎÂÀÍÈÅ
íèå ñ ðàñ÷åòíûìè äàííûìè (ðèñ. 5). Óðîâåíü âòî-
ðîé ãàðìîíèêè íà âûõîäå áûë �20 äÁ, òðåòüåé �
ìåíüøå �30 äÁ.
Îòëè÷èå ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ îò ðàñ-
÷åòíûõ îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî íå ó÷èòûâàëèñü ïîòåðè
â êîíäåíñàòîðàõ, â äðîññåëå L1 è ò. ä. Êàê è â [8],
ðàñõîæäåíèå ñîñòàâëÿåò îêîëî 5%. Îñíîâíûì ôàê-
òîðîì ñíèæåíèÿ ÊÏÄ â äàííîì óñèëèòåëå ÿâëÿþòñÿ
ïîòåðè â èíäóêòèâíîñòè L2, êîòîðûå ìîãóò áûòü
ñíèæåíû ïðèìåíåíèåì ïðîâîäà ñ ìåíüøèì óäåëü-
íûì ñîïðîòèâëåíèåì èëè ñ ïîâûøåíèåì ÷àñòîòû. Â
ïîñëåäíåì ñëó÷àå íà÷íóò âîçðàñòàòü ïîòåðè â òðàí-
çèñòîðå.
***
Òàêèì îáðàçîì, íà îñíîâå îïèñàííûõ ïðèíöèïîâ
ïîñòðîåíèÿ óñèëèòåëÿ êëàññà Å ðàññ÷èòàíà ñõåìà è
ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàí óñèëèòåëü ñî ñòîêî-
âûì ÊÏÄ 83% íà ÷àñòîòå 800 êÃö. Ïîêàçàíû îñíîâ-
íûå îñîáåííîñòè ôóíêöèîíèðîâàíèÿ óñèëèòåëÿ êëàññà
Å. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà ïîäòâåðæäàþò, ÷òî äàí-
íàÿ ìåòîäèêà ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ ïîñòðîåíèÿ
âûñîêîýôôåêòèâíûõ óñèëèòåëåé è ïðåîáðàçîâàòå-
ëåé ýíåðãèè.
ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÍÛÅ ÈÑÒÎ×ÍÈÊÈ
1. Êðûæàíîâñêèé Â. Ã., Ðàññîõèíà Þ. Â., Ðóäÿêîâà
À. Í., Øåâ÷åíêî È. Í. Òðàíçèñòîðíûå óñèëèòåëè ñ âû-
ñîêèì ÊÏÄ: îáùèå óñëîâèÿ ðåàëèçàöèè // Òåõíîëîãèÿ
è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå.� 2000.�
¹ 5�6.� Ñ. 5�8.
2. Sokal N. O. Class E high-efficiency switching-
mode power amplifiers, from HF to microwave / 1998
IEEE MTT-S International Microwave Symposium
Digest, June 1998, Baltimore, MD, CD-ROM IEEE
Catalog No. 98CH36192 and also 1998 Microwave
Digital Archive, IEEE Microwave Theory and
Techniques Society, CD-ROM IEEE Product # JP-
180-0-081999-C-0.
3. Êàãàíîâ Â. È., Ðûæîíêîâ Í. Ä. Âûñîêîýôôåêòèâ-
íûé ðåæèì ðàáîòû Â× óñèëèòåëÿ ìîùíîñòè � êëàññ
«Å» // Çàðóáåæíàÿ ðàäèîýëåêòðîíèêà.� 1988.� ¹. 4.�
Ñ. 89�92.
4. Sokal N. O., Sokal A. D. High-efficiency tuned swit-
ching power amplifier / Ïàò. 3919656 ÑØÀ.� Îïóáë.
11.11.75.
5. Raab F. H. Effects of circuit variations on the class
E tuned power amplifier // IEEE Journal of Solid-state
circuits.� 1978.� Vol. SC-13, N 2.� P. 239�247.
6. Mader B., Bryerton E., Markovic M. et al. Switched-
mode high-efficiency microwave power amplifiers in a free-
space power-combined array // IEEE Trans. on MTT.�
1998.� Vol. 46, N 10.� Ð. 1391�1398.
7. Kazimierczuk M. K. Class E tuned power amplifier
with shunt inductor // IEEE J. of Solid-State Circuits.�
Vol. SC�16, N 1.� Feb., 1981.� P. 2�7.
8. Cantrell W. H. Tuning analysis for the high-Q class-
E power amplifier // IEEE Trans. on MTT.�2000.�
Vol. 48, N 12.� P. 2397�2402.
9. Sokal N. O., Novak I. Computer program design,
simulate, and optimize high-efficiency switching-mode
(class E) RF power amplifiers // Proc. RF Expo West.�
Santa Clara, California.� Feb. 5�7, 1991.� P. 199�220.
10. Ansoft Serenade, student version, 04.01 2000.� http:/
www.ansoft.com
Ðèñ. 5. Çàâèñèìîñòè âûõîäíîé ìîùíîñòè è ÊÏÄ îò ÷àñòîòû: à � òåîðèÿ, á � ýêñïåðèìåíò
1,5
1,0
0,5
0
700 750 800 850 900
Freq (kHz)
Y
1
à)
Pout
Efficiency
700 740 780 820 860 900
×àñòîòà,êÃö
á)
1,2
0,8
0,4
0Â
û
õî
äí
àÿ
ì
îù
íî
ñò
ü,
Â
ò;
Ê
Ï
Ä
 íîìåðå 3 æóðíàëà çà 2001 ã. íà ñ. 13 â ðèñ. 1 äîïóùåíà îøèáêà.
Äëÿ çàâèñèìîñòè Q(x) íà ãðàôèêå à è äëÿ îáåèõ çàâèñèìîñòåé ãðàôèêà á çíà÷åíèÿ Eg
ó êðèâûõ ñëåäóåò ÷èòàòü êàê â çàâèñèìîñòè Å(x) íà ãðàôèêå à, òî åñòü: âíåøíèå
êðèâûå � 1 ýÂ, ïðîìåæóòî÷íûå êðèâûå � 0,316 ýÂ, âíóòðåííèå êðèâûå � 0,1 ýÂ.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70868 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 2225-5818 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:32:18Z |
| publishDate | 2001 |
| publisher | Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Крыжановский, В.Г. Рудякова, А.Н. Чернов, Д.В. 2014-11-15T16:28:34Z 2014-11-15T16:28:34Z 2001 Методика расчета и исследование усилителя класса Е / В.Г. Крыжановский, А.Н. Рудякова, Д.В. Чернов // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2001. — № 4-5. — С. 11-15. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 2225-5818 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70868 621.375:621.382.029.6.001.63 Рассмотрены уравнения, описывающие режимы работы и параметры конструктивных элементов усилителя класса Е. Экспериментально исследованы частотные и энергетические характеристики усилителя с высокодобротной выходной цепью со стоковым КПД 83% на частоте 800 кГц. Приведенная методика может использоваться для конструирования высокоэффективных ВЧ-усилителей класса Е. ru Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України Технология и конструирование в электронной аппаратуре Проектирование. Конструирование Методика расчета и исследование усилителя класса Е Article published earlier |
| spellingShingle | Методика расчета и исследование усилителя класса Е Крыжановский, В.Г. Рудякова, А.Н. Чернов, Д.В. Проектирование. Конструирование |
| title | Методика расчета и исследование усилителя класса Е |
| title_full | Методика расчета и исследование усилителя класса Е |
| title_fullStr | Методика расчета и исследование усилителя класса Е |
| title_full_unstemmed | Методика расчета и исследование усилителя класса Е |
| title_short | Методика расчета и исследование усилителя класса Е |
| title_sort | методика расчета и исследование усилителя класса е |
| topic | Проектирование. Конструирование |
| topic_facet | Проектирование. Конструирование |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70868 |
| work_keys_str_mv | AT kryžanovskiivg metodikarasčetaiissledovanieusilitelâklassae AT rudâkovaan metodikarasčetaiissledovanieusilitelâklassae AT černovdv metodikarasčetaiissledovanieusilitelâklassae |