доклад_Кр-к..

ТРЕХКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ ПО СХЕМЕ ДОГЕРТИ
Савенков Г.Г., Морозов Ю.В. (Научный руководитель)
Новосибирский государственный технический университет,г. Новосибирск, пр. К.Маркса 20, 630073
Аннотация:В работе рассматривается реализация трехкаскадного усилителя мощности по схеме Догерти.
Приведена его структурная схема и результаты компьютерного моделирования. Показано что трехкаскадная схема
дает более высокий КПД в более широком диапазоне частот по сравнению с двухкаскадной схемой.
В последнее время среди производителей беспроводных систем связи получили
широкое распространение усилители Догерти. Привлекательность таких усилителей
обусловлена эффективностью преобразования входных сигналов с высоким
отношением пиковой ко средней мощности, которая характерна для современных
систем связи.
В настоящей работе анализируются пути усовершенствования характеристик
усилителя мощности по схеме Догерти по сравнению с характеристиками
традиционного двухкаскадного усилителя за счет изменения структуры усилителя.
Приведены результаты компьютерного моделирования.
Типичная реализация усилителя Догерти включает в себя один «основной»
усилитель, работающий постоянно, и один «пиковый» усилитель, включающийся в
работу только тогда, когда требуется определенная величина мощности. Когда
основной и пиковый усилители включены и обеспечивают максимальную выходную
мощность схема смешения сигналов работает в режиме суммирования 1:1.
Если в схеме необходима передача маломощных сигналов, то пиковыйусилитель
выключен и используется для увеличения выходного импеданса, который видит
основной усилитель. У основного усилителя при этом на выходе 100 Ом и схема
смешения сигналов работает в режиме преобразования импеданса 2:1. В результате
для данного перепада напряжения, близкого к линии питания, ток и, следовательно,
мощность уменьшаются.
Таким образом, усилитель, построенный по схеме Догерти, имеет более высокий
КПД по сравнению с аналогами за счет более рационального использования
транзисторов по току.
Трехкаскадная схема с двумя пиковыми усилителями позволит добиться еще
более высоких значений КПД за счет снижения потребляемой мощности.
Ее структурная схема представлена на рис. 1.
В данной схеме пиковые усилители включаются в работу последовательно. В
схеме используется идентичные усилители
одинаковой мощности. Выходное
сопротивление основного усилителя изменяется от 3 R0 (при отключенных пиковых) до
R0. Для трансформации сопротивлений применяются 4 четвертьволновых
трансформатора.[1]
Рис.1. Структурная схема трехкаскадного усилителя Догерти
Современные технологии проектирования радиотехнических устройствоснованы
на широком использовании компьютерного моделирования. При расчете модели
усилителя использовался пакет программ MicrowaveOffice.
В качестве исходных данных для проектирования усилителя мощности могут
служить файлы параметров транзисторов, в сопроводительной документации к
которым производитель приводит его точно измеренные параметры. Эти параметры
могут быть использованы как для последующего расчета более сложной схемы, так и
для сравнения характеристик рассчитанного и реального устройства.
Для дальнейшего моделирования были
выбраны транзисторы известной
зарубежной фирмы NXPPhilips. С сайта компании NXP была получена библиотека с
электронными моделями транзисторов, характеристики которых соответствуют
реальным приборам.
Для проектирования необходимо выбрать материал для подложки, и проводника.
Из всех имеющихся материалов, удовлетворяющих требованиям к проектированию,
был выбран зарубежный материал TaconicRF-35.
Характеристики материала:
 г  3,5 -Диэлектрическая проницаемость;
Н  0,762 мм -толщина печатной платы;
T  35 мкм - толщина проводника;
tan g ( )  0.003 -тангенс диэлектрических потерь;
В качестве проводника была выбрана медь с удельной проводимостью   5,88 см/м.
Для реализации модели трехкаскадного усилителя было необходимо разработать
делитель мощности, обеспечивающий деление входного сигнала на 3 равные части.
Многоканальные системы деления и суммирования мощности могут быть
выполнены на основе двухканальных устройств деления мощности любого типа.
Использование делителей с коэффициентом деления, отличным от единицы, позволяет
реализовать любой заданный закон распределения мощности в выходных плечах
системы с произвольным числом плеч.[2] Для реализации трехканального делителя
была выбрана последовательная схема соединения двухканальных делителей.
Разрабатываемый делитель должен обеспечивать равное деление сигнала на 3
канала ииметь следующие характеристики:
(1)
Рис.2. S-параметры трехканального делителя мощности
Рис. 3.Схема 3-каскадного усилителя Догерти в программе Microwaveoffice.
Был проведен анализ необходимых напряжений смещения пиковых усилителей
по критерию наименьшей потребляемой и наибольшей выходной мощности.
В качестве оптимальных были выбраны значения:
Ucм1 = -0,2 В – напряжение смещения 1 пикового усилителя
Ucм2 = -0,5 В – напряжение смещения 2 пикового усилителя
Характеристики полученной модели были сравнены с характеристиками
двухкаскадного усилителя Догерти. На рис. 4 приведены амплитудно-частотные
характеристики усилителей.
Рис. 4. АЧХ двухкаскадного и трехкаскадного усилителей Догерти.
Рис.5. Амплитудные характеристики двухкаскадного и трехкаскадного усилителей Догерти.
Рис.6. Зависимости выходных токов от входной мощности
Из рис. 5 видно, что трехкаскадная схема обеспечивает требуемый уровень
выходной мощности при большем значении входной мощности, Однако, потребляемый
ток, а, следовательно, и мощность при этом будет меньше, как показывает рис. 6
Рис.7. Зависимости КПД двухкаскадного и трехкаскадногоусилителейДогерти от частоты
На Рис. 7 представлены зависимости КПД двухкаскадного и трехкаскадного
усилителей Догерти от частоты. Видно, что трехкаскадная схема обладает более
высоким КПД в большем диапазоне частот (от 750 до 830 МГц).
В данной работе были смоделированы двух- и трехкаскадный усилители
мощности по схеме Догерти. Был проведен их сравнительный анализ, который выявил
лучшие энергетические характеристики трехкаскадной схемы в более широком
диапазоне частот по сравнению с двухкаскадной схемой.
Списоклитературы
1) «AdvancedDohertyarchitecture» - BummanKim, IlduKim, JunghwanMoon,
IEEEMicrowaveMagazine, August 2010, 1527/3342
2) Микроэлектронные устройства СВЧ: Учеб.пособие для радиотехнических
специальностей вузов / Г.И. Веселов, Е.Н. Егоров, Ю.Н. Алехин и др.; Под ред. Г.И.
Веселова. – М.: Высшая школа., 1988. – 280 с.