Проектирование самоограничивающего усилителя класса C
В этой статье, входящей в сборку аналоговых схем AAC, исследуется самовыравнивающийся класс C, который может использоваться в усилителе мощности RF.
Вероятно, вы знакомы с различием между «обычной» (т. Е. Малой мощностью) схемой усилителя и усилителем мощности. Низкомощная категория включает в себя большинство схем ОУ и внутриканала, которые обычно встречаются в аналоговых и смешанных сигналах встраиваемых системах; целью обычно является применение значительного усиления напряжения или, возможно, (в случае последователя напряжения) для уменьшения импеданса источника. С другой стороны, усилители мощности фокусируются на увеличении текущей емкости сигнала, чтобы он мог обеспечить большую мощность нагрузки. Многие низковольтные конструкции не нуждаются в усилителе мощности (PA), но PA-компоненты являются стандартными компонентами в радиочастотных системах: для успешной передачи радиосигналов требуется достаточная мощность, и PA подает сигнал большой мощности на антенну.
Топологии усилителя мощности сгруппированы в категории под названием «классы». В этой статье мы рассмотрим схему класса C. В контексте звукового и общего низкочастотного усиления мощности, усилители класса C немного экзотичны. Тем не менее, они распространены в радиочастотных схемах, особенно когда аккумуляторная батарея является серьезной проблемой. Важно понимать, что усилители мощности имеют фундаментальный компромисс между линейностью и эффективностью. Усилители класса А очень линейны, но они смещены таким образом, чтобы увеличить потребление тока. Усилители класса B более эффективны, но менее линейны. Усилители класса C даже менее линейны, чем класс B, но они обеспечивают высокую эффективность. Таким образом, если вы хотите, чтобы батарея сотового телефона продолжалась как можно дольше, и вы можете как-то справиться с усилителем, который производит много искажений, Class C просто может быть лучшим выбором.
Вы можете найти дополнительную информацию о усилителях класса C в листе AAC «Class C BJT Amplifiers». В этой статье мы подробно рассмотрим конкретную реализацию класса C, которая сильно отличается от схемы, используемой на листе. Реализация основана на схеме, приведенной в книге RF Circuit Design, Кристофером Боуиком. Полное раскрытие: эта схема не совсем проста, и книга не дает подробного объяснения. Когда вы прочитаете статью, вы увидите, что мое владение теорией и процедурой дизайна далеко не завершено; если у вас есть соответствующий опыт и вы хотите внести свой вклад в обсуждение, раздел комментариев (просто прокрутите вниз до нижней части страницы) будет готов и ждет.
Вот топология, которую мы будем изучать:
Self-Bias
Усилители, которые построены вокруг одного или двух транзисторов, должны быть смещены, т. Е. Условия постоянного тока должны быть расположены таким образом, чтобы транзистор работал таким образом, чтобы способствовать усилению. Op-amps также требуют смещения, но мы этого не замечаем, потому что все смещения выполняются дизайнером op-amp.
Интересной особенностью усилителей класса C является то, что они не требуют внешней схемы смещения. Транзистор по-прежнему предвзято, но он смещается сам. Детали здесь немного сложны, и я не утверждаю, что понимаю их; вместо этого я приведу цитату из Боуика и надеюсь, что у него все получится правильно: если вы хотите, чтобы транзистор стал усилителем класса C, вам нужно обратить внимание на смещение базового эмиттера; «если база транзистора возвращается на землю через RF-дроссель, базовый ток, протекающий через внутреннее сопротивление расширения базы», может отменить смещение соединения и тем самым «заставить транзистор обеспечить его собственное смещение». Я добавлю следующее: Конденсатор последовательно с базой (показан на диаграмме выше), по-видимому, является просто стандартным конденсатором с блокировкой постоянного тока, но я считаю, что он также играет роль в поддержании обратного смещения. Другими словами, вам понадобится блокировка блокировки DC, даже если бы вы знали, что входной сигнал никогда не будет иметь смещение постоянного тока.
Не даже половина синусоидальной волны
Возможно, вы уже заметили что-то странное в цепи класса C: нет способа, чтобы он мог производить синусоидальный выход. На самом деле, он даже не может производить половину синусоиды. Технический термин здесь - «угол проводимости». Цепь класса А может генерировать усиленную версию всей синусоидальной волны, и, следовательно, мы говорим, что она имеет угол проводимости 360 °. Цепь класса B проводит только половину цикла, поэтому его угол проводимости составляет 180 °. Угол проводимости ступени класса C значительно меньше 180 °.
Если вы настроили усилитель класса C с резистором между коллектором BJT и положительным источником питания, вы получите форму выходного сигнала, которая выглядит так:
Никто не хотел бы посылать этот сигнал на антенну. Однако - и это может быть удивительно, если вы думаете о временной области вместо частотной области - нормальная синусоидальная волна находится где-то внутри этой ужасно искаженной формы волны. Давайте посмотрим на БПФ:
Этот всплеск на частоте 100 МГц соответствует синусоиде, которую мы хотим, что означает, что нам нужно сделать серьезную фильтрацию для подавления гармонического контента. Мы достигаем этого путем включения LC-схемы между коллектором и положительным источником питания. Если мы выберем резонансную частоту в соответствии с несущей частотой системы, вы будете удивлены качеству синусоиды, которую мы можем изготовить из усилителя класса C.
Дизайн и моделирование
Стандартная топология класса C включает параллельную схему LC, которая фильтрует ток коллектора транзистора. Я не могу понять, почему версия Боука расходится с этой моделью. Похоже, он использует фильтр Pi, состоящий из C3 (который в книге помечен как «байпас», предположительно потому, что он предназначен как байпасный конденсатор питания), первичная обмотка выходного трансформатора и C2. Я использовал уравнения, найденные в этой заметке приложения, для вычисления значений L2 и C2.
Вот схема симуляции:
Обратите внимание на следующее:
- Я использовал компонент ферритного шарика LTspice для дросселя RF.
- Выходной трансформатор создается путем добавления двух индукторов и оператора «взаимной индуктивности».
- Я использовал фиксированное значение для C2, потому что я работаю в идеализированном мире SPICE. Однако в исходной схеме C2 является переменным конденсатором, по-видимому, потому, что реальная реализация должна быть скорректирована, чтобы компенсировать допуски компонентов и паразитную емкость.
Вот выходной сигнал:
Я бы назвал это довольно хорошим, учитывая, как выглядит нефильтрованный сигнал.
Мне было интересно, нашел ли я оптимальное значение для C2, поэтому я использовал инструкцию «.step param» для тестирования нескольких разных емкостей. Результаты показаны на следующем графике; вы можете определить, какая трасса для этого значения емкости, потому что большая амплитуда соответствует меньшей емкости (т. е. оранжевый - 10 пФ, синий - 50 пФ, …, розовый - 300 пФ).
Трассировка 50 pF (синий) и 92 pF (красный) выглядит хорошо, а следующий график (который показывает FFT для той же группы сигналов) подтверждает, что эти два значения демонстрируют хорошее подавление второй гармоники относительно амплитуды фундаментальный. Возможно, идеальное значение будет где-то между 50 п.н. и 92 пФ.
Вывод
Мы обсудили и рассмотрели самонастраивающийся усилитель класса C для радиочастотных цепей, и мы рассмотрели некоторые интересные результаты моделирования. Если вы хотите продолжить анализ самостоятельно, вы можете загрузить мой графический файл LTspice, нажав на оранжевую кнопку.
Схема LTspice