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.