Что характеризует высокая линейность
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Высокая линейность амплитудной характеристики обычно достигается правильным выбором режимов работы электронных приборов усилителя, а также применением отрицательной обратной связи, которая повышает стабильность коэффициента усиления. Стабилизации коэффициента усиления усилителя способствует также стабилизация витающего напряжения. [2]
При сравнительно высокой линейности амплитудной характеристики основной механизм возникновения комбинационных составляющих связан с преобразованием амплитудной модуляции в фазовую. [4]
Более быстродействующие ЛЗ, сохраняющие амплитудные соотношения, могут быть получены при использовании канальных транзисторов в качестве ключей. Известно также, что канальные транзисторы с изолированным затвором имеют очень высокое входное сопротивление и в принципе могут использоваться в качестве активного элемента согласующего усилителя. Но квадратичная зависимость тока стока от напряжения на затворе и часто невысокая нагрузочная способность затрудняют применение их в качестве согласующих усилителей в линии с сохранением амплитудных соотношений. Поэтому в таких линиях усилитель обычно выполняется в виде эмиттерного повторителя на биполярных транзисторах, что позволяет получать высокую линейность амплитудной характеристики и необходимую нагрузочную способность. Принцип работы этой линии не отличается от рассмотренного на примере блок-схемы рис. 3.28. Для повышения входного сопротивления согласующего усилителя используется двухкас-кадная схема эмиттерного повторителя на составных транзисторах, на входе которой стоят кремниевые транзисторы как обладающие более высокой стабильностью входного сопротивления. [13]
СОДЕРЖАНИЕ
По математике
Линейные многочлены
В другом использовании по сравнению с приведенным выше определением полином степени 1 называется линейным, потому что график функции этой формы представляет собой прямую линию.
Линейное уравнение над вещественными числами является одной из форм:
Логические функции
Булева функция является линейной, если для таблицы истинности функции выполняется одно из следующих условий :
Физика
Линейность однородного дифференциального уравнения означает, что если две функции f и g являются решениями уравнения, то любая линейная комбинация af + bg тоже.
В приборостроении линейность означает, что данное изменение входной переменной дает такое же изменение выходного сигнала измерительного устройства: это очень желательно в научной работе. В общем, инструменты близки к линейным в определенном диапазоне и наиболее полезны в этом диапазоне. Напротив, человеческие чувства очень нелинейны: например, мозг полностью игнорирует входящий свет, если он не превышает определенное абсолютное пороговое количество фотонов.
Электроника
Интегральная линейность
Для электронного устройства (или другого физического устройства), которое преобразует количество в другое количество, Бертрам С. Кольтс пишет:
Обычно используются три основных определения интегральной линейности: независимая линейность, линейность с отсчетом от нуля и конечная, или конечная точка, линейность. В каждом случае линейность определяет, насколько хорошо фактическая производительность устройства в указанном рабочем диапазоне приближается к прямой. Линейность обычно измеряется в единицах отклонения или нелинейности от идеальной прямой линии и обычно выражается в процентах от полной шкалы или в миллионных долях от полной шкалы. Обычно прямая линия получается путем аппроксимации данных методом наименьших квадратов. Эти три определения различаются по способу расположения прямой линии относительно фактических характеристик устройства. Кроме того, все три из этих определений игнорируют любые ошибки усиления или смещения, которые могут присутствовать в фактических рабочих характеристиках устройства.
Военно-тактические соединения
Изобразительное искусство
Музыка
Усилители мощности с высокой линейностью для базовых станций беспроводной связи
Авторы: А. Курушин, В. Недера
Современные системы связи предъявляют новые, предельно высокие требования к выходным усилителям мощности. В статье анализируется усилитель мощности, предназначенный для работы в выходном каскаде базовой станции системы CDMA2000. Приводятся результаты тестирования с использованием таких параметров, как ACPR, EVM и другие. Выполнен расчёт цифровых характеристик модели усилителя на системном уровне на программе Ptolemy фирмы Agilent. Проводится анализ предыстортера как цифрового метода увеличения линейности мощных усилителей.
Перспективы развития системы беспроводной связи с кодовым разделением каналов CDMA, в том числе, в России, очень хорошие [1], поскольку система CDMA уже сейчас предлагает такие услуги, как скорости передачи данных до 300 КБит/с, передачу видеоизображения и другие.
Для достижения высоких скоростей передачи данных и эффективного использования полосы частот в беспроводной связи в стандарте 3GPP[2], системы с кодовым уплотнением CDMA2000 и W-CDMA используют сигналы одновременно с фазовой манипуляцией и амплитудной модуляцией. Такие сигналы имеют сильно меняющуюся огибающую, что из-за нелинейности тракта приводит к дополнительному расширению спектра и просачиванию мощности в соседний канал.
Обработка сигналов со смешанной модуляцией требует применения высоколинейных усилителей мощности (УМ). С другой стороны, для получения высоких КПД транзисторные УМ должны работать принципиально в режиме с отсечкой, то есть в классе AB или C. Поэтому современные СВЧ-усилители включают в свою схему несколько типов компенсации нелинейных искажений, от регулировки рабочей точки до обратных и прямых связей компенсации. В последнее время интенсивно развиваются цифровые методы линеаризации, когда усилитель работает в режиме с отсечкой, а искажения компенсируются численными методами. Например, линеаризация с помощью внесения предыскажения (так называемые предыстортеры) значительно улучшает линейность при сохранении высокого КПД УМ. Адаптивная линеаризация цифровыми методами требует построения модели усилителя, в которой была бы максимально учтена внеполосная интермодуляция. Эта модель должна адаптироваться к изменениям характеристик УМ, включая температурные изменения, изменение напряжения источника питания, старения транзисторов, а также к изменению свойств входного сигнала (количества пользователей, обслуживаемых каналом).
Системы с кодовым уплотнением, или шумоподобными сигналами, давно применяются в военной и специальной технике. И тот факт, что сегодня эта техника постепенно переходит в область широкого применения, во многом обусловлен огромными успехами в цифровой и аналоговой микроэлектронике, пассивных устройствах обработки информации. Ряд важных и полезных разработок выполнен российскими коллективами: Воронежским НИИ Радиосвязи, Московским НИИ Радиосвязи, НПО «Алмаз» и другими.
Самыми известными производителями высоколинейных УМ этого назначения (рис. 1) являются фирмы Ericsson (www.ericsson.com), Lucent (www.lucent.com), Bravo Tech. Inc (www.bravotechinc.com) и PARADIGM ( ). Высоколинейные усилители мощности на транзисторах разрабатываются сейчас ведущими фирмами мира. Большой вклад вносит фирма Моторола (www.motorola.com), которая поставляет мощные LDMOS-транзисторы, используемые в выходных каскадах большинства разрабатываемых усилителей.
Рисунок 1. Усилитель мощности для базовой станции сотовой связи
Расчёты показывают, что увеличение линейности на 3 дБ эквивалентно увеличению кпд на 4-5%. Линейность выходного УМ является очень критичным параметром для работы современных систем беспроводной связи, основанных на стандарте 3GPP. Сигналы, которые передаёт радиотракт, являются широкополосными, если рассматривать их в базовой полосе частот, и имеют большое соотношение пикового значения к среднему, если рассматривать их во временной области.
Для оценки линейности УМ, а также нелинейных узлов в радиопередающем тракте, теряют безусловную ценность общепринятые нелинейные критерии, такие как мощность насыщения при сжатии усиления на 1 дБ или «точка пересечения». Особенно это относится к системе с кодовым уплотнением, когда сигнал от каждого пользователя умножается на индивидуальный код Уолша, а на приёмном конце демодулируется умножением на этот же код Уолша. Эти модуляция и демодуляция выполняются в цифровой области, поэтому такие системы получили наименования цифровых систем связи, а спектр, используемый пользователем в такой системе, принципиально широкополосный.
Рисунок 2. Огибающая CDMA-сигнала во временной области формируется суммированием скачков амплитуд от отдельных пользователей, и если, например, в канале присутствуют 128 пользователей, то имеется вероятность, что в какой-то момент времени все коды Уолша от отдельных пользователей сложатся, и амплитуда увеличится до 128. Поэтому такие сигналы имеют большое отношение пикового значения к среднему
Обработка сигналов с большим отношением пикового значения к среднему приводит к тому, что пиковые значения огибающей претерпевают особенно большие искажения, поскольку пики попадают на изгиб амплитудной характеристики. Если учесть, что для больших мощностей имеет место изменение временного сдвига таких импульсов (из-за амплитудно-фазовой конверсии AM/PM), то ошибочные биты увеличиваются именно из-за недостаточной линейности усилителя мощности.
Измерение нелинейных характеристик усилителя мощности
Спецификация на усилитель мощности (в соответствии со стандартом 3GPP2 TSG-C4.1 [2]) представлена в табл. 1.
Таблица 1. Основные параметры усилителя мощности
Для оценки нелинейности УМ традиционно используют зависимости характеристик при изменении мощности на входе, например, зависимость выходной мощности относительно входной. По этой зависимости определяется сжатие усиления на 1 децибел. Однако для высоколинейного УМ характерно только небольшое отклонение от линейности, а коэффициент усиления — почти горизонтальная линия. Такие данные не позволяют зафиксировать точно амплитудные искажения, а также выбрать уровень мощности на входе, при которой должны быть заданы предельно допустимые критерии изменения усиления и сдвига фазы.
Рисунок 3. Экспериментальная установка для тестирования усилителей мощности на широкополосном сигнале включает генератор с произвольной формой сигнала. Сигнал формируется на компьютере, и затем записывается в генератор, а также спектроанализатор или векторный анализатор сигналов, который позволяет выделить модуляцию из ВЧ-сигнала на его входе и рассчитать цифровые характеристики
Ситуация становится сложнее, когда нужно оценить искажение сигнала CDMA с несколькими рабочими каналами (пользователям). В этом случае, в системе базовая станция – мобильный телефон усиления каждого канала выбираются так, чтобы все пользователи имели равную мощность в канале усиления. Сигнал тогда имеет значительно большее искажение, как следует из оценки огибающей сигнала на фазовой плоскости I/Q [2].
Из-за высокой линейности УМ такие параметры, как координаты точки пересечения, также не могут быть измерены точно, а будут измерены с большой погрешностью. К тому же они измеряются только для двухтонового сигнала на входе, что конечно значительно отличается от широкополосного CDMA-сигнала.
Современные, специально разработанные генераторы с произвольной формой сигнала и спектроанализаторы позволяют снять амплитудные характеристики с учётом более тонких нелинейных эффектов (рис. 4).
Рисунок 4. Измеренные амплитудные характеристики усилителя мощности: зависимости от входной мощности Pout (AM-AM), ACPR, КПД (%)
Рисунок 5. Измеренные фазовые характеристики усилителя мощности (AM-PM)
Рисунок 6. Экран спектроанализатора фирмы Rode&Shwarz. Спектр 3GPP сигнала, W-CDMA или CDMA2000 с тремя несущими. При таких условиях особое значение имеет расползание спектра, или просачивание его в соседний канал
Основными критериями линейности становятся характеристики, измеренные на реальном входном CDMA-сигнале. Одной из таких характеристик для оценки усилителя мощности стал ACPR — Adjusted Conjugate Power Ratio. Для стандарта сотовой связи IS-95 ACPR измеряется как отношение мощности в полосе 30 кГц при отстройке 750 кГц от несущей, к общей мощности сигнала в канале 1,23 MГц:
(1)
ACPR есть обобщение такой характеристики, как уровень интермодуляционных искажений IMD на широкополосный сигнал. Более тонкими критериями искажений модулированного сигнала, включая нелинейные, являются параметры RHO (качество формы волны), EVM (ошибка модуля вектора) и IQ Offset (смещение на звёздной диаграмме).
RHo — это мера качества формы сигнала, который показывает степень корреляции измеренного сигнала (пилот сигнал при тестировании) с идеальным референсным сигналом
где ErrorPower — мощность сигнала ошибки, то есть мощность вне полосы канала. Для идеального УМ r = 1. Параметр EVM (Error Vector Magni-tude) связан с понятием звёздной диаграммы, и он показывает, как изменяется положение точек модуляции на звёздной диаграмме (рис. 7) при появлении нелинейных искажений в усилителе мощности.
Рисунок 7. Звёздная диаграмма и расположение на ней точек модулированного сигнала (для простоты показана модуляция 16QPSK)
Параметр EVM так же, как и RHo, — мера качества цифровой системы связи. EVM рассчитывается по формуле
(2)
где rms_error_vector — усреднённый вектор ошибки (рис. 8) за время анализа (характеризует область размывания пятна на звёздной диаграмме); symbol_magnitude — модуль вектора от начала координат до точки на звёздной диаграмме, числено равный модулю символа.
Рисунок 8. Смещение точки модуляции при всплеске мощности
Рисунок 9. Амплитудные характеристики усилителя мощности по критерию искажения цифрового модулированного сигнала /измерение/
Рисунок 10. Ошибка модуля вектора и её зависимость от амплитуды радиосигнала /измерение/
На этом же рисунке указана фаза смещения точки на звёздной диаграмме. Это также важный параметр, характеризующий искажение модуляционного сигнала.
Offset IQ — угол смещения точки модуляции на звёздной диаграмме. Этот параметр характеризует амплитудно-фазовую конверсию усилителя мощности, поскольку измеряется как усреднённое значение от смещения угла всех точек модуляции.
(3)
где rms_error_phase — усреднённое значение смещения по углу. Для неискажающего усилителя этот угол будет равен нулю, поэтому и величина Offset IQ = 0.
Перечисленные параметры можно измерить на стандартной измерительной аппаратуре (рис. 3), а также рассчитать теоретически, используя нелинейную модель УМ.
Расчет нелинейных критериев УМ
Расчёт нелинейных критериев, связан- ных с искажением реальных сигналов, выполняется методами анализа нелинейных устройств во временной области. Такие методы реализованы в нескольких широко известных программах, и самая известная из них — ADS (Advanced Design System). Методы косимуляции, то есть одновременного расчёта и цифровой и аналоговой частей схем заключаются в применении многомерного интеграла Дюамеля, то есть фактической реализации многомерного комплексозначного ряда Вольтерра во временной области. Эта функция выполнена в программе PTOLEMY. В этой программе выполнен анализ прохождения потока данных, возбуждающих аналоговую схему через временные отрезки, и собираемых в сборниках данных на выходе, в соответствии с теоремой Котельникова (рис. 12).
Рисунок 11. Схема для анализа искажения модуляционных характеристик усилителя мощности: RHo, EVM и других. Эти чисто цифровые характеристики можно рассчитать на Ptolemy
Рисунок 12. Цифровой процессор Paladin и схема предыстортера
Большой выбор библиотек в программе Ptolemy, специально разработанных для анализа системы CDMA2000, позволяет анализировать передающий тракт базовой станции на системном уровне, используя реальный сиг-нал CDMA2000 на входе элементов передающего тракта.
Тестирование УМ становится основой для построения модели нелинейного усилителя, необходимой не только в теоретических расчётах, но для синхронной работы их совместно с программируемыми процессорами. Для примера рассмотрим работу предыстортера, который является очень перспективным направлением для улучшения энергетических характеристик усилителя мощности.
Линеаризация УМ с помощью предварительного искажения входного сигнала — один из способов компенсации нелинейности. Для реализации этого метода в полосе частот модуляции применяется адаптивное цифровое предыскажение сигна-ла. Адаптация основана на уменьшении разности между фактической мощностью сигнала желательной модуляции и CDMA-сигнала на выходе усилителя (целевой функцией становится ACPR, как меры искажения сигнала).
Система без памяти (или применительно к усилителю мощности, без AM/PM) будет иметь более простую LUT, и амплитудную характеристику, измеренную в статическом режиме, когда сигнал, изменяясь, проходит те же значения, увеличиваясь, и уменьшаясь. Система с памятью или амплитудно-фазовая конверсия, напротив, имеет мгновенную амплитудную характеристику с характерным гистерезисным видом. В настоящее время работы по реализации предыстортера ведутся в нескольких крупных центрах и вступают в стадию промышленного производства.
Приложение
Очень часто в практике проектирования необ- ходимо найти нелинейные характеристики каскадного соединения. Имея зависимости для соединения двух каскадов, далее можно найти эти параметры для любого каскадного соединения. Поставим задачу связать ACPR двух каскадов и общий ACPR каскадного соединения.
Используя метод суперпозиции, мощность продуктов нелинейных искажений на выходе каскадного соединения Pn Σ можно записать в виде
Мощность сигнала в тракте можно расписать следующим выражением:
Разделив (1) на (2), получаем
(3)
Используя определение ACPR, получаем
где ACPR выражены в единицах, причём
ACPR[dBc] = 10 log(ACPR[ед]) (5)
(приписка c означает, что берётся отношение относительно мощности несущей или мощности во всём канале базового сигнала, то есть 1,23 MГц). Точность формулы (4) для практики, с учётом разброса нелинейной модели УМ, оценивается от 0,5 до 2 дБ.
(6)
Выводы
В статье рассмотрены характеристи- ки усилителей мощности, применяемых в базовых станциях сотовой телефонии 3-го поколения, и критерии, которые можно применять для их спецификации. Наряду с описанием таких нелинейных параметров, как сжатие усиления, точка пересечения третьего порядка, коэффициент полезного действия, основное внимание обращается на характеристики, наиболее интересные разработчику современных систем связи.
Современные УМ, применяемые в базовых станциях беспроводной связи, обладают высокой линейностью, и поэтому традиционные характеристики становится трудно измерить с высокой точностью. Поэтому для оценки качества усилителей мощности применяются характеристики, ранее используемые для оценки качества системы, а именно ACPR, RHo, EMV и IQ Offset.
Измерительная аппаратура, а также методы расчёта этих характеристик в настоящее время позволяют внедрять это в практику проектирования современных систем, использующих сложные широкополосные сигналы.
Литература
1. Оборудование систем сотовой связи 450 МГц, работающее по стандарту IMT-MC (cdma 2000). Минсвязи России. М. 2002 г.
2. TIA/EIA-97D by 3GPP2 TSG-C. 2000, (спецификация стандарта CDMA2000).www.3gpp.org.
3. Курушин А.А., Текшев В.Б. Расчёт динамического диапазона многокаскадного СВЧ-устройства. Радио-техника, 1981. Т. 36. № 8. С. 88–90.
Повышение линейности и эффективности РЧ-усилителей
В статье изложены различные методы линеаризации РЧ-усилителей, приведены электрические схемы и диаграммы. Рассмотрено влияние на линейность усилителей температурных режимов и напряжения питания, даны практические рекомендации.
Как правило, лучшей линейности усилителей добиваются за счет увеличения мощности выходного каскада. Однако при этом эффективность усиления падает, следовательно, рассеивается больше тепла, что, в конечном счете, увеличивает энергопотребление системы и уменьшает время работы портативного устройства. Сокращение тепловыделения позволяет снизить стоимость и эксплуатационные затраты схемы.
Один из методов улучшения линейности — использование РЧ-усилителей с понижающей передачей, в которых выходной сигнал всегда меньше напряжения питания. Как и в предыдущем случае, при этом подходе эффективность усиления падает.
Для увеличения эффективности работы однотранзисторного выходного каскада нужно приблизить выходной сигнал к напряжению питания путем соответствующего выбора напряжения питания и импеданса нагрузки. При этом уменьшается мощность, рассеиваемая выходными транзисторами, поскольку разность между сигналом и напряжением питания мала, и портится линейность характеристики как на радио-, так и на звуковых частотах. Кроме того, появляется эффект ограничения сигнала, когда напряжение питания становится недостаточным для правильной передачи входного сигнала (см. рис. 1).
Рис. 1. Ограничение выходного сигнала
Важна ли линейность?
Линейность не является главной характеристикой для большинства РЧ-систем. Так, усилители класса С не всегда идеально передают форму входного синусоидального сигнала, поэтому они применяются в таких схемах, где это и не требуется. Например, для качественной работы радиоприемника FM-диапазона достаточно, чтобы сохранялись точки пересечения нуля, а не правильная форма пиков (см. рис. 2), поскольку вся информация содержится именно в этих точках.
Рис. 2. Нелинейность усилителя не влияет на частотно-модулированный сигнал
За последние 10 лет наблюдается переход к более сложным схемам модуляции, которые позволяют передавать больше информации по более узкой полосе частот. В качестве количественной характеристики степени уплотнения канала используется эффективность, которая выражается в Мбит/с на МГц.
Во многих стандартах связи информация содержится не только в точках пересечения нуля. Например, в схеме QAM (квадратурная амплитудная модуляция) информация содержится в амплитуде и фазе несущего сигнала. Рассмотрим классическое созвездие 64-QAM (см. рис. 3). Огибающая сигнала представляется с помощью 64 векторов. Каждый вектор может нести информацию о нескольких битах, если эффективность использования полосы пропускания достаточно высока. В таких схемах требуется очень хорошая линейность характеристик, иначе векторы накладываются друг на друга, при этом содержащиеся в них данные теряются безвозвратно. Некоторые виды нелинейных искажений, которые возникают в схеме, например, логарифмические искажения при насыщении транзистора, можно учесть в процессе демодуляции, но это довольно сложно и практически не используется.
Рис. 3. Созвездие 64-QAM. Шифрование 6 битов в один символ
Таким образом, единственный способ обеспечить точность векторов — это повысить точность самого усилителя мощности (УМ).
Выходные каскады усилителей класса А также вносят нелинейности, поэтому положительные и отрицательные полуволны выходного сигнала становятся несимметричными. На низких частотах эта проблема разрешается путем введения обратной связи (ОС). Транзисторные усилители постепенно переросли в операционные с коэффициентом усиления более 120 дБ. Линейность ОУ повышается также за счет использования большого количества отрицательных ОС. При введении ОС в выходные каскады усилителей класса АВ линейность может возрастать до 0,00003% (LME49710 National Semiconductor). Заметим, однако, что это значение достигается на сравнительно низких частотах. У всех усилителей наблюдается завал коэффициента усиления с повышением частоты. Усилители с токовыми ОС характеризуются меньшими потерями на ВЧ, но и у них коэффициент усиления падает, начиная с определенной частоты.
Отметим, что введение ОС помогает не только улучшить линейность характеристик, но и повысить коэффициент передачи в прямом направлении. Поскольку коэффициент передачи в прямом направлении с ростом частоты уменьшается, то на ВЧ требуется менее глубокая ОС. Это приводит к тому, что в РЧ-усилителях, особенно УМ, нельзя использовать традиционную ОС на рабочих частотах порядка 1 ГГц и выше.
Если схема усилителя разомкнута, то могут возникать проблемы, связанные с подавлением напряжения питания (power-supply rejection) и насыщением выходного сигнала (output saturation). Поскольку РЧ-усилители работают на граничных частотах транзисторов, то на их основе нельзя сделать ОУ с высоким коэффициентом усиления.
Таким образом мы видим, что при проектировании РЧ-усилителей сохраняются все те проблемы, с которыми сталкивались несколько десятилетий назад инженеры-схемотехники, разрабатывая усилителей на лампах.
Повышение линейности характеристик — не единственная и не самая сложная задача, с которыми приходиться иметь дело при разработке усилителя. Например, электрические или термические условия работы могут вызвать эффекты запоминания, что в свою очередь повлечет за собой временные искажения или потерю данных. Явление электрического запоминания похоже на эффекты, которые часто можно было наблюдать в старых ламповых гитарных усилителях с дешевыми источниками питания. Громкий аккорд перегружал выходной каскад и сбрасывал напряжение питания.
Проседание напряжения питания изменяет смещение выходных транзисторов, вследствие чего возникает информационно-зависимые нелинейные искажения. Величина таких искажений зависит от предыдущего состояния сигнала.
Это же явление встречается в УМ, работающих в радиочастотном диапазоне. Последовательность данных может содержать такие символы, которые перегружают усилитель и, соответственно, выводят из строя работу ИП и схем смещения. Возникают временные искажения, которые передаются в модулированный сигнал.
Второй источник эффектов запоминания — тепловые условия работы. В горячем и холодном состоянии транзисторы имеют разные переходные характеристики, что приводит к искажениям сигнала, если температура транзистора меняется.
На рисунке 4 показаны искажения в силовых РЧ-каскадах. Эти искажения обусловлены видом переходной характеристики транзистора — это не прямая зависимость, а логарифмическая. Частично нелинейности могут возникать из-за насыщения транзистора при работе с сигналами, близкими к напряжению питания.
Рис. 4. Виды искажений в усилителях, вызванные нелинейностью характеристик транзисторов (а); эффектом ограничения (б); эффектами электрического; (в) и термического; (г) запоминания
Способы повышения линейности
При разработке усилителя нельзя просто уменьшить размах выходного сигнала, т.к. при этом снизится эффективность усиления. Приходится использовать положительные и отрицательные ОС или вносить предыскажения, чтобы сохранить эффективность и одновременно уменьшить энергопотребление схемы. Применение ООС подходит для усилителей с высокой линейностью характеристик, узкой полосой частот и средней эффективностью. Положительные ОС применяются в схемах с высокой линейностью, более широкой полосой частот и низкой эффективностью. Наконец, предыскажения применяются, когда требуются очень высокая эффективность, средняя линейность и небольшая полоса пропускания. Поскольку РЧ-усилители мощности работают на высоких частотах, использование традиционных ОС в них непрактично. В этом смысле под термином «обратная связь» часто подразумевается такая ОС, в которой выходной РЧ-сигнал делится на синфазную I и квадратурную Q составляющие и поступает на входные каскады. В такой системе можно получить еще более высокую линейность, однако необходимо следить, чтобы не возникало перегрузок в выходном каскаде. Эффективность усиления остается низкой. Кроме того, из-за риска появления генерации этот метод неприменим для широкополосных усилителей.
Чтобы получить и хорошие линейные характеристики, и широкую полосу, используют предыскажения. В этом случае для компенсации нелинейных искажений используются сигналы I и Q. В цифровых системах линейность обеспечивается с помощью сложных алгоритмов предсказания термических и электрических эффектов запоминания, однако цифровые методы имеют ограниченные возможности коррекции.
Как правило, степень линейности того или иного компонента системы известна заранее. Например, активный повышающий преобразователь с изоляцией заведомо имеет более широкий динамический диапазон, чем аналогичный пассивный преобразователь, за которым стоит усилитель. Предыскажения позволяют упросить схему. Кроме того, иногда используется сочетание обоих методов, когда в схеме используются и обратные связи, и цифровые предыскажения (см. рис 5).
Рис. 5. Смешанная схема коррекции
Часто вместо цифровых методов коррекции лучше применять схемотехнические. Чем выше линейность компонента, тем меньше требуется цифровой коррекции.
Рассмотрим усилитель Догерти, изобретенный в 1936 г. (см. рис. 6). Он имеет два РЧ-входа, а размах выходного сигнала близок к напряжению питания. Дополнительный усилитель нужен для того, чтобы регулировать видимый извне выходной импеданс основного усилителя. Если выходной сигнал дополнительного усилителя повторяет сигнал основного, то выходной импеданс с точки зрения передающего усилителя бесконечен (см. рис. 7). Поскольку оба конца линии имеют один и тот же потенциал, между ними не идет ток и мощность не потребляется. Если дополнительный усилитель отключить, то выходной импеданс с точки зрения основного усилителя станет равным характеристическому импедансу линии передачи. Далее, если второй усилитель будет работать в противофазе, тогда видимый извне выходной импеданс по отношению к передающему усилителю равен половине характеристического, поэтому мощность повышается. Сигнал основного усилителя всегда имеет размах, близкий к напряжению питания. Если в схеме необходима передача маломощных сигналов, то второй усилитель используется для увеличения выходного импеданса, который видит основной усилитель. В результате для данного перепада напряжения, близкого к линии питания, ток и, следовательно, мощность уменьшаются.
Рис. 6. Усилитель Догерти
Рис. 7. Принцип изменения выходной мощности, использующийся в усилителе Догерти
Рис. 8. Переключатели Avago. (а) – режим высокой мощности (больше 16 дБм); (б) – маломощный режим (меньше 16 дБм)
Моделирование
Поиски компромисса между эффективностью и линейностью в РЧ-усилителях затрагивает, кроме всего прочего, использование инструментов САПР. Поскольку РЧ-системы сами по себе нелинейны, то в них приходится решать все те же математические проблемы, что и в других нелинейных устройствах. Использование Spice и других инструментов моделирования может оказаться затратным по времени и не привести к ожидаемым результатам, поскольку в большинстве РЧ-схем требуется работа в установившемся режиме. Вторая проблема заключается в том, что часто внутренняя схема усилителя закрыта и приходится пользоваться S-параметрами для анализа. К сожалению, такой уровень абстракции не объясняет нелинейные искажения и не позволяет промоделировать смещение усилителя. Для решения этой проблемы Agilent, которая популяризировала проектирования с использованием S-параметров, недавно представила X-параметры, или моделирование искажений полигармоник. Эти параметры комбинируют выходной сигнал линейной системы с выходным сигналом, обусловленным нелинейными составляющими. Компания выпустила несколько брошюр с описанием данного метода и включила этот инструмент в свой пакет средств разработки.
Заключение
Проектирование РЧ-усилителей с каждым годом становится труднее из-за ужесточения требований к схемам модуляции. Высокая линейность и эффективность только еще больше подчеркивают важность тщательного анализа при проектировании. Сам процесс проектирования становится междисциплинарным, затрагивая радиочастотную, цифровую и аналоговую электронику. В помощь разработчикам были созданы САПР, различные инструменты и испытательные установки, облегчающие проектирование. Возможно с развитием этой области процесс разработки усилительных устройств станет проще, быстрее и дешевле.