Новые достижения в широкополосных усилителях. Часть 1

Содержание
1.    Основные понятия об усилителях
1.1.    Что такое «интеллектуальный» усилитель?
1.2.    Классы эксплуатации
1.3.    Линейность и компрессия
1.4.    Коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН)
1.4.1.    Что такое КСВН?
1.4.2.    КСВН и мощность отраженной волны
1.4.3.    Надежность и КСВН
2.    Параметры усилителя и типы сигналов
2.1.    Непрерывные сигналы
2.1.1.    Немодулированные непрерывные сигналы
2.1.2.    Модулированные непрерывные сигналы
2.2.    Импульсные сигналы
2.3.    Коэффициент амплитуды/Соотношение пиковых и средних значений (мощность)
3.    Количественная оценка производительности усилителя
3.1.    Общий обзор
3.2.    Измерения величины вектора ошибок
3.3.    Измерения коэффициента мощности шума
3.4.    Измерения коэффициента утечки в соседний канал
3.5.    Тестирование на удар
3.6.    ЕМС измерения
4.    Заключения
 

1.     Основные понятия об усилителях

1.1.   Что такое «интеллектуальный» усилитель?

В своей простейшей форме усилитель – это активное устройство, которое принимает входящий сигнал и производит исходящий сигнал, который является копией входящего сигнала, но с увеличенной амплитудой.

За последние годы в производстве радиочастотных усилителей произошло множество изменений, так ламповые усилители сменились твердотельными усилителями на основе транзисторов. Но базовый дизайн усилителя и принцип работы остались практически неизменными до совсем недавнего времени. Традиционно такие параметры как класс эксплуатации или выходная мощность были более-менее «фиксированы» самим проектом усилителя и не могли быть быстро изменены. Это в свою очередь ограничивало возможность использования усилителей в большом количестве устройств или адаптации параметров усилителя к использованию в различных рабочих или тестовых условиях.

В данной статье обсуждаются некоторые последние достижения в дизайне усилителей. Эти инновации обеспечивают существенные улучшения с точки зрения как гибкости, так и эффективности, создавая новый класс «интеллектуальных» («умных») усилителей. В отличии от классических эти «умные» усилители позволяют динамически и одновременно изменять параметры основного усилителя по заданию пользователя (таких как класс эксплуатации и допуск КСВН) во время работы, что позволяет оптимизировать производительность для очень широкого диапазона применений.

1.2.   Классы эксплуатации

Обычно усилители группируют по классам эксплуатации в зависимости от их точки смещения. Классы эксплуатации определяются в зависимости от угла проводимости усилителя или процента времени, во время которого усилитель проводит энергию или «усиливает». Например, угол проводимости в 360° обозначает, что усилитель проводит в течение всего цикла входящей мощности (100%), тогда как угол проводимости 180° значит, что усилитель проводит только во время половины цикла входящей мощности (50%). Более высокий угол проводимости значит более высокую линейность (то есть выход является более точным воспроизводством входа), но за счет меньшей эффективности. Более того, класс эксплуатации также может оказывать значительное влияние на представление сигнала во временной области, особенно в случае непостоянных или импульсных сигналов.

Усилители с углом проводимости 360° относятся к Классу А, усилители с углом проводимости 180° - к Классу В. Компромисс между конфликтом целей линейности и эффективности – это Класс АВ, который имеет угол проводимости между 180° и 360°. Усилитель с углом проводимости меньшим 180⁰ относят к Классу С. Усилители класса С еще более эффективны, но за счет значительных искажений и нелинейности. Существуют также другие классы усилителей (Класс D, F и др.), но обычно они не используются в радиочастотных устройствах.

Кроме различий в линейности и эффективности класс эксплуатации усилителей также оказывает серьезное влияние на другие характеристики усилителя, такие как допуск КСВН, а также размер, вес и стоимость усилителя.

Рабочие характеристики усилителя в значительной степени зависят от его класса эксплуатации. Если нам нужна высокая линейность, мы выбираем усилитель Класса А, если цель эффективность – Класса В. Как отмечено выше, усилители класса АВ являются неким компромиссом между линейностью и эффективностью, так как имеют угол проводимости где-то между классом В (180) и Классом А (360), тем самым давая пользователю возможность выбрать усилитель, чьи линейность и эффективность наиболее близко соответствуют планируемому устройству.

Хотя кажется, что усилители класса АВ обеспечивают максимальную гибкость, при выборе усилителя очень важно учитывать, что в большинстве классических усилителей класса АВ угол проводимости фиксирован, то есть не может быть изменен пользователем. Если бы можно было предложить пользователю изменяемый угол проводимости, то тот же самый усилитель мог бы использоваться в значительно большем количестве устройств, а пользователь только с помощью программного обеспечения мог бы динамически изменять этот баланс между линейностью и эффективностью.

Заметим также, что для заданной входной мощности усилители Класса А всегда поставляют больше выходной мощности, чем Класс АВ. Это ожидаемо, так как наклон волны транзистора (Рис.2) в области Класса А круче, чем в области Класса АВ (то есть «на изгибе»). Однако, если сигнал амплитуды очень слаб, часть изгиба, где работает усилитель Класса А, по сути, квазилинейна и мы в этом случае также получаем хорошие результаты по линейности.

С другой стороны, для высоких уровней мощностей привода разница между Классом А и Классом АВ достаточно заметна, как с точки зрения линейности, так и с точки зрения времени ответа (форма импульса). Здесь изменяемый угол проводимости становится очень полезным: мы можем работать в Классе АВ при более низких уровнях мощности привода, и перейти в Класс А, когда мощность привода увеличится. Эксплуатация в Классе АВ тогда, когда это возможно, является предпочтительной, так как усилитель в классе АВ имеет лучшую эффективность (так как транзистор не генерирует много тепла). Это также имеет значение, когда нам важен временной отклик, особенно импульсных сигналов.