Нелинейные искажения в усилителе с разрешением составляющих однополосного сигнала

Интенсивное развитие народного хозяйства, расширение и уолож" нение управления им требует широко разветвлённой, надёжно действующей сети связи. Увеличение количества линий радиосвязи, услож*" нение и рост потока информации накладывают всё более высокие требования на надёжность, пропускную способность, качество и энерге** тическую эффективность радиопередатчиков. В значительной мере эти качества радиопередатчика определяются применяемым в нём усилите* лем мощности* Успехи отечественной полупроводниковой промышленности опреде* лили возможность замены радиоламп транзисторами в передатчиках малой и средней мощности f1,2,3,5]. Это позволило повысить надёж* ность [б], уменьшить вес и габариты передатчика, обеспечить мгновенную готовность к работе и возможность построения широкопо** лосных неперестраеваемых усилителей мощности [б], что, в свою очередь, позволяет создавать надёжные, простые в эксплуатации, полностью автоматизированные передатчики. Среди многих видов радиосвязи связь на одной боковой полосе получает всё большее распространение. Это обусловлено известными преимуществами однополосной модуляции (ОМ) перед другими видами управления колебаниями [l, 8]. Отсюда ясно, почему в последние го"" ды исследованию транзисторных усилителей мощности ОМ колебаний уделяется большое внимание как в нашей стране, так и за рубежом. Одним из основных параметров, характеризующих усилитель ОМ сигнала, следует назвать энергетическую эффективность и качествен*ные характеристики выходного сигнала. Энергетическая эффективность обычно определяется КПД усилителя, а качественные характеристики сигнала оцениваются по уровню нежелательных радиоизлучений [98], которые не несут непосредственно полезной информации. Современные исследования усилителей мощности направлены на улучшение их основных показателей, Известные и широко применяемые современные транзисторные уси"н лители мощности, работающие в режиме класса В (АВ) имеют весьма низкий средний КПД (обычно не выше ЗО-^Зб^) при нелинейных искажениях, измеряемых стандартным методом f 9J, не лучше •^0-^2 дБ, Очевидно, что столь низкое значение КПД определяет большую мощность, рассеиваемую в усилительных приборах, что, в свою очередь, ведёт к снижению надежности усилителя, а также к увеличению его веса и габаритов. К настоящему времени предложено много способов увеличения среднего КПД усилителей ОМ сигнала [iZU Условно их можно разделить на три группы: I, Методы, связанные с предварительной обработкой сигнала с целью уменьшения пикфактора группового сигнала f13,8,14,7]. 2. Методы, связанные с регулировкой режима работы усилительных приборов [8,14]. 3. Методы, обуславливашцие применение ключевых режимов работы усилительных приборов для усиления ОМ сигнала f 15,16,17,18], Первые две группы методов активно исследуются и к настоящему времени нашли определённое применение [8,29], Общим недостатком этих методов является то, что КПД усилителя здесь не может быть больше, чем КПД, соответствующий критическому режиму работы уси" лительных приборов. Реально же для транзисторных усилителей он составляет величину не более 50"б0^ при приемлемом качестве вы*" ходного сигнала f4, I0,IlJ, В последнее время возрос интерес к методам третьей группы. Сюда следует отнести методы квантования ОМ сигнала по его мгновенному значению [l5] и по огибающей /1б], а также метод раздельного усиления составляющих ОМ сигнала (метод Кана), Методы квантования ОМ сигнала к настоящему времени совертенно не изучены, однако очевидно, что для их реализации необходимы быстродействующие преобразователи аналог «• код. Существущие преобразователи позволяют^реализовать усилитель с квантованием ОМ сигнала только для частот диапазона СВ и ниже. Кроме того, до сих пор еще не решена проблема широкополосного сложения мощностей нескольких генераторов с разными уровнями вы* ходной мощности. Существующие устройства сложения таких генерал торов осуществляют это с большой потерей мощности, что знст-^ чительно снижает преимущества применения ключевых режимов работы усилительных элементов. В связи с этим реализация усилителей мощности ОМ сигнала с квантованием в настоящее время представляется весьма проблематичной. Наибольшие возможности с точки зрения повышения КПД усилите^! лей мощности ОМ сигнала обещает реализация метода раздельного усиления составляющих ОМ сигнала (метод Кана) [12]. Усилители, построенные по этому методу, уже сейчас при мощности 100"*400 вт в KB диапазоне и уровне комбинационных искажений не более *^ 2Е дБ имеют средний КПД не менее 50"б0^ [l9], (в том числе работы автора [20,21 J), что значительно выше, чем в усилителях класса В. Уменьшение уровня различных внеполосных и побочных радиоизлу» чений, которые в современной литературе принято называть разного рода искажениями, является одной из основных проблем реализации радиопередатчиков. Искажения сигнала уменьшают достоверность пе" редачи информации, что, в свою очередь, не позволяет эффективно использовать линии радиосвязи. Кроме того, непрерывный рост ко** личества радиоэлектронных средств и мощности радиопередатчиков, а также всё нарастающая плотность радиолиний в частотном диапаг* зоне, приводят к увеличению взаимных помех, вызванных нежела" тельными радиоизлучениями. Это приводит к ухудшению качества и надёжности связи, поэтому задача повБппения качественных показателей усилителей мощности приобретает особую актуальность. К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных анализу искажений в транзисторных усилителях класса В. Здесь рассмотрены основные причины появления искажений, оценены их уровни и, в ряде случаев, предложены меры борьбы с искажениями в таких усилителях f10,23,22,5,11]. Представляется, что для разработчика усилителей класса В имеется достаточно информации, позволяющей проектировать малоискажающие усилители, удовлетворяющие требованиям на современные линии ОМ радиосвязи, по крайней мере, до частот KB диапазона. Относительно других методов усиления ОМ сигнала дело обстоит менее благополучно. Есть ряд работ, посвященных анализу искажений в усилителях, использующих различные методы повышения энергетической эффективности усилителей мощности ОМ сигнала [8,14,13]. Однако до настоящего времени эти методы либо не получили широ" кого распространения в практике радиосвязи, либо имеют весьма ограниченное применение [8,29j. Это можно объяснить, презвде всего, двумя причинами. Во*ч1ервых, ряд методов, основанных на клиппировании сигнала, имеют потенциальные ограничения применения, пос" кольку в этом случае возрастает уровень искажений f 13,8,14 J .Во-вторых, для большинства методов проведённых исследований совершенно недостаточно для уверенного проектирования усилителей, удовлетворяющих современным требованиям на качество радиосвязи. Интерес, возникший в последние годы к методу Кана, повлёк за собой наряду с поисками возможных способов реализации и исследованием энергетических свойств также и анализ качественных noKa^t зателей такого усилителя. Однако, теория искажений в усилителе Кана разработана недостаточно полно. Это связано с тем, что при"* рода появления искажений в таком усилителе существенно отлична от причин, порождающих их в других усилителях. Отсюда первые исоле* дования [ 17,8 J обсузвдают отдельные факторы, вызывающие искажения в усилителе. В последующих работах [25,26 J выявляются практически все основные причины искажений и для большинства из них исследуются зависимости уровня искажений от различных параметров усилителя, Этому же посвящены работы автора [24,27,28]. В ряде работ [б7,б8] рассматриваются конкретные технические реализации от" дельных узлов усилителя, выявляются физические причины, приво** дящие к искажениям в усилителе Кана, предлагаются схематические решения отдельных узлов, вносящих минимальные искажения. Однако до сих пор отсутствует анализ одновременного воздействия нескольких факторов, порождающих комбинационные искажен ния. Практически совершенно не затронута проблема анализа интер* модул5Щионных искажений в таком усилителе. Всё это не позволяет обоснованно сформулировать требования на отдельные узлы усилителя. Отсутствие изложенных выше сведений делает построение усилителя Кана в значитвльной мере случайным, опирающимся на интзгициго и опыт разработчика. Очевидно, что в этом случае качественные показатели спроектированного усилителя будут весьма далёкими от потенциально возможных, что может необоснованно закрыть путь усилителю Кана во многие области применения ОМ радиосвязи. Отсюда представляется весьма актуальн («й задача анализа качественных показателей усилителя Кана. Решению перечисленных выше вопросов посвящена представленная диссертационная работа, состоящая из введения, пяти глав, заключения и приложений. В первой главе подробно рассматривается метод Кана, обсужда*» готся проблемы реализации усилителя, предлагается классификация искажений, обсувдаются приодшы их возникновения в таком усилите"ле. Проводится обзор литературы, посвященной анализу искажений и формулируются задачи, которые необходимо решить для построения малоискажающего усилителя Кана. Во второй главе разрабатывается метод анализа комбинационных искажений в усилителе Кана, создаётся модель усилителя и проводится её математическое описание. Определяются выражения, позволяющие описать искажения на выходе усилителя при известных характеристиках его узлов. Третья глава посвящена анализу комбинационных искажений в уси" лителе по усреднённым типичным характеристикам его узлов. Выясняются особенности взаимодействия при одновременном воздействии нескольких причин, порождающих искажения. Формулируется алоритм наложения требований на характеристики узлов усилителя для обеспе* чения заданного уровня искажений выходного ОМ сигнала. В четвертой главе проводится исследование интерлодуляционных искажений в передатчиках, использующих ключевые режимы работы транзисторов. Выясняются основные причины, порождающие искажения в ключевых усилителях. Разрабатывается математический аппарат, позволяющий рассчитывать уровни интермодуляционных искажений в передатчиках произвольной структуры, использующих ключевые усилители. Проводится расчёт основных зависимостей интермодуляционных искажений от параметров схемы и режима работы усилителя. Приводятся результаты экспериментальной проверки основных расчётных зависимостей, а также экспериментальное обоснование важнейших допущений анализа. В пятой главе описывается модуль усилителя Кана KB диапазона, при разработке которого использовались результаты исследований, проведённых в диссертации. Приводятся основные экспериментальные характеристики модуля и сравниваются с результатами расчёта, пою лученными в диссертации, В заключении приведены выводы, относящиеся к диссертационной работе в целом. Ряд вспомогательных аналитических выкладок и расчётов, а также принципы построения програшл и их тексты приведены в отдельных приложениях. Для решения перечисленных выше проблем применяются метод математического и натурного моделирования, квазистатический метод анализа нелинейных четырёхполюсников, метод анализа путём решения нелинейных дифференциальных уравнений, машинные методы исследования линейных и нелинейных цепей и спектральные методы расчёта нестащонарных цепей. В результате исследования получены следующие новые научные результаты «Проведена классификация нелинейных искажений в передатчике, использующем усилитель Кана, основанная на различии поролздающих их причин и методов их уменьшения. — Получена математическая модель усилителя Кана и разработан математический аппарат, позволяющий анализировать нелинейные комбинационные искажения в таком усилителе как при раздельном, так и при совместном влиянии основных причин искажений. На основе этой модели выявлены особенности проявления комбинационных искажений при совместном воздействии нескольких причин искажений и приведена их физическая интерпретация. — Выявлены причины появления интермодуляционных искажений в ключевом усилителе и определены зависимости этих искажений от основных пара>летров усилителя. — выявлены схемы ключевых усилителей мощности, обладающие наименьшим количеством параметров, влияющих на интермодуляционные искажения, и схемы, обладающие наименьшими уровнями этих искажений. II „Показана особенность проявления интермодуляционных искажений в передатчике, использующем ключевой усилитель мощности, заклки чающаяся в специфике совместной работы параметрической коллектор* ной цепи ключевого усилителя и селективного выходного тракта пе"* редатчика и проявляющаяся в подчеркивании отдельных интехялодуля"* ционных составляющих. Практическая ценность полученных результатов заключается: ** в разработке методики, позволяющей наложить требования на до“ пустимые параметры характеристик основных узлов усилителя Кана для обеспечения необходимого уровня комбинационных искажений сиг*нала на выходе усилителя, ** в разработке рекомендаций, позволяющих задавать параметры и ре» жим работы ключевых усилителей мощности, обеспечивающих заданные уровни интермодуляционных искажений, «* в разработке алгоритма и программы определения интермодуляцион"^ ных искажений в ключевом передатчике с произвольной структурой его выходного тракта, что позволяет проектировать передатчики с малым уровнем интермодуляционных искажений, а также облегчает ре» шение задачи назначения частот при работе такого передатчика в комплексе приёмно^передающих устройств. Основные результаты исследования нашли отражение в отчётах по НИР [30,31,32,33,34,35,36,37] и используются при создании конст* руктивного макета усилителя Кана, а также в других ОКР, проводи*" мых на промышленном предприятии, что подтверждается актом о вне" дрении, приведенным в приложении 4. Лично автором получены все основные научные результаты и про" ведена экспериментальная проверка основных положений теории. Разработаны алгоритм и программа расчёта комбинационных иска"" жений в усилителе Кана. Принятр участие в разработке программы расчёта интермодуля* ционных искажений в ключевом передатчике, а также в разработке принципа построения и схемы модуля усилителя Кана. На защиту выносятся следующие положения: — При совместном воздействии разных характеристик узлов усилителя проявляется эффект их устойчивого взаимного подавления, поэтому оценку уровня комбинационных искажений в усилителе необходимо производить при учете совместного воздействия различных характеристик узлов. Анализ раздельного влияния причин, приводящих к комбинационным искажениям, оправдан и целесообразен только с целью предварительной оценки нелинейности каждого кон1фвтного узла применительно к усилителю. Отсюда появляется широкая возможность оптимизации характеристик узлов, которая должна производиться только с учетом всех нелинейностей усилителя. — Наименьшей восприимчивостью к внешним наведенным сигналам обла"* дает ключевая схема переключателя тока как обладающая наименьшим количеством параметров, влияющих на уровни интермодуляционных искажений, а также мостовая схема, имеющая наименьшее влияние параметров и режима работы на уровни искажений. — Выходная фильтро"согласующая система передатчика, использующего ключевой усилитель может подчеркивать интермодуляционные состав* ляющие, находящиеся вне её полосы пропускания и подавлять в поло* се пропускания. — Применение ключевых режимов работы транзисторов в выходных кас"^ кадах передатчиков позволяет существенно уменьшить интермодуляционные искажения как по спектральному составу, так и по уровням по сравнению с усилителями в режиме класса В. Содеражание диссертационной работы обсуждалось на внутривузовских научных конференциях профессорско-преподавательского состав ва, сотрудников и аспирантов МЭИС, Москва 1975"1983г.г., на ХХХУП Всесоюзной научной сессии, посвященной Дню радио. Москва, 1982 г., на Всесоюзном научно-техническом совещании «Проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств», Таганрог, 1982 г. на научно*кгехническом семинаре «Усилители постоянного тока и низкой частоты», Москва, 1976 г., на X научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Москва, 1984 г. Основные положения диссертации опубликованы в 7 печатные работах [20,21,24,27,28,38,101]. По результатам работы получено авторское свидетельство [ 66j, I. УСИЛИТЕЛЬ КАНА И ПРОБЛЕМЫ ЕГО РЕАЖЗАЦШ4. I.I.Принцип раздельного усиления ОМ сигнала. Если из сигнала, описанного выражением (1.3), выделить огибающую и фазомодулированную составляющую (будем называть её ВЧ составляющей), усилить их в раздельных усилителях и затем перемножить, то на выходе получим усиленный ОМ сигнал. На рис. 1.1 приведена структурная схема устройства, реализующего описанный алгоритм раздельного усиления составляющих ОМ сигнала. Здесь ОМ сигнал, сформированный на низком уровне, подаётся на два тракта — низкочастотный (НЧ) и высокочастотный (ВЧ). В НЧ тракте с помощью амплитудного детектора (I) выделяется огибающая входного сигнала, Ш тракт i Перемножитель Рис I. I Структурная схема реализации принципа раздельного усиления составляющих ОМ сигнала. Таблица I. I Нежелательные из^гчения Гармонические Комбинационные Интермодуляционные Втори модул чной яции Шумы I рода 2 рода Требование дБ -6D -36 -^0 -60 -60 -^0 Достигнуто дБ -6^. -2& — -60 -70 -80 Ее ремножитель Рис 2.1 Структурная схема усилителя Кана с трактом подкюлуляции, усиливается и подается на перемножитель (3). В ВЧ тракте с помощью амплитудного ограничителя (2) выделяется ВЧ составляющая, усиливается и также подаётся на перемножитель. На выходе перемножителя образуется усиленный ОМ сигнал. Для получения высокой энергетической эффективности всего устройства необходимо обеспечить высокий КПД обоих трактов усиления. Для ВЧ тракта эта задача решается путём применения ключевых режимов работы усилительных приборов, что позволяет получить элект* ронный КПД до 90% на частотах KB диапазона [4,40,41,42]. Учитывая тот факт, что современные мощные биполярные транзистохн позволяют реализовывать ключевые каскады в KB диапазоне с коэффициентом усиления мощности К^:^ 20, промышленный электронный КПД многокаскадного ВЧ тракта может быть не менее 80−85%.Как было показано в f26], в качестве перемножителя целесообразно применить каскад с коллекторной модуляцией, работающий в ключевом режиме. В этом случае от НЧ тракта требуется значительная выходная мощность, поэтому КПД этого тракта существенно сказывается на общем КПД усилителя. Применение здесь ШЙМ усилителя (т.е. ключевых режимов работы усилительных приборов) позволяет получить промышленный КПД НЧ тракта не хуже 85−90% [43,37,44,68]. В результате промышленный электронный КПД такого усилителя составит 70−80%, а средний промышленный КПД по первой гармонике 50*60% [20,21], что примерно в 2 раза выше, чем в усилителе класса В. Следует отметить, что тепловой режим активных приборев, определяемый электронным КПД, в усилителе Кана в 5−6 раз легче, чем в усилителе класса В, что предполагает более высо1опо надёжность работы усилителя [б]. Таковы основные принципы построения усилителя Кана, шлеющего высокую энергетическую эффективность. Однако практическая реализация такого усилителя сопряжена с рядом трудностей, ограничивалющих его частотные, энергетические и качественные характеристики.

Основные результаты исследований, полученные в диссертации, заключаются в следующем:

1.Разработана нелинейная модель усилителя Кана, учитывающая основные причины комбинационных искажений и позволяющая решать задачи анализа комбинационных искажений как при раздельном, так и совместном влиянии различных характеристик узлов усилителя произвольной структуры, схемного решения и назначения усилителя.

2.Проведено математическое описание модели с использованием стандартного испытательного двухтонового сигнала. В результате получены выражения, связывающие уровни практически любого количества комбинационных составляющих нечетных порядков на выходе усилителя с параметрами определенным образом заданных характеристик узлов усилителя. Разработана программа расчета на ЭВМ уровней комбинационных искажений при заданных параметрах характеристик узлов.

3.Проведен анализ совместного влияния различных характеристик узлов на искажения. В результате чего:

— выявлены эффекты взаимного устойчивого ослабления искажений при совместном воздействии ряда факторов.

— Определены причины, приводящие к несимметрии спектра выходного сигнала.

Показано, определение однозначных требований на характеристики узлов усилителя с целью обеспечения заданных уровней результирую щих искажений не представляется возможным без учета особенностей взаимодействия этих характеристик.

— Предложена методика оценки допустимых параметров характеристик отдельных узлов, учитывающая особенности взаимодействия их в усилителе Кана.

4.Отмечена возможность оптимизации характеристик отдельных узлов усилителя с целью получения минимальных уровней результирующих искажений при относительно больших искажениях, вызываемых каждым из узлов в отдельности.

5.Экспериментальные измерения комбинационных искажений в реальном макете усилителя Кана и в усилительном модуле, внедряемом в промышленности, подтвердили выявленные особенности взаимодействия различных характеристик узлов усилителя. Расхождение между экспериментально измеренными и расчитанными по разработанной программе результатами не превышает 2дБ при уровне искажений -15 + -40 дБ. Показано, что разработанная модель усилителя справедлива при уровнях искажений -15 -60 дБ, что представляется вполне достаточным для практического использования.

6.Показано, что применение современной элементной базы и специальных схемных решений отдельных узлов позволяет реализовать усилитель Кана, удовлетворяющий современным требованиям на уровни комбинационных искажений без использования общих обратных связей.

7.Проведен анализ интермодуляционных искажений в двухтактных ключевых усилителях мощности, в результате чего:

— показано, что интермодуляционные искажения в этих усилителях возникают в результате параметрических явлений в коллекторной цепи,.

— выявлены параметры схемы и режима работы усилителя, определяющие ису-цж етих, уровни интермодуляционных'^получены зависимости уровней искажений от величины этих параметров,.

— показано, что наименьшие уровни интермодуляционных искажений можно получить в ключевых схемах переключателя тока и мостовой.

8.Выяснено влияние цепей связи ключевого усилителя с антенной на уровни излучаемых интермодуляционных искажений. Показана возможность значительного подавления интермодуляционных составляющих, находящихся в полосе пропускания выходного тракта передатчика, и относительного подчеркивания их вне полосы, что определяется параметрическим усилением отдельных интермодуляционных составляющих.

9.Предложен алгоритм и программа расчёта на ЭВМ уровней интермодуляционных искажений в передатчиках с ключевым усилителем различного назначения и произвольной структуры его выходного тракта.

10.Выявлено, что в ключевых усилителях спектральный состав интермодуляционных искажений значительно беднее, а уровни меньше, чем в усилителях класса В.

II.Экспериментальные измерения интермодуляционных искажений доказали возможность получения в ключевых усилителях уровней искажений до -60 * -70дБ на низких частотах работы современных мощных транзисторов, и до -40 * -50 дБ на высоких частотах. Показано, что расхождение между результатами измерения и расчета не превышает ЗдБ при уровне искажений -40дБ на низких рабочих частотах. Для повышения точности расчета на высоких частотах необходимо учитывать влияние фронтов импульсов коллекторного напряжения.

12.Использование результатов анализа позволило разработать усилительный модуль КВ диапазона мощностью 400 Вт, удовлетворяющий конкретному техническому заданию. Полученные новые научные и практические результаты используются при создании новой радиопередающей техники, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.