Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время усилители мощности сигналов широко используются в радионавигационных, радиолокационных, телевизионных, мультимедийных и связных системах, системах радиоуправления, системах радиоэлектронной борьбы, а также в других радиотехнических системах и средствах специального назначения. В радиотехнических устройствах все чаще находят применение технологии, условно называемые технологиями класса Е. Усилители мощности класса Е имеют ряд преимуществ по сравнению со стандартными усилителями классов А, B, C, D, F. Отличительная особенность их заключается в том, что транзистор в усилителе класса E одновременно выполняет как функцию ключа, так и функцию части цепи нагрузки для гармонических колебаний напряжения и тока. За счёт этого сочетания достигается значительно более высокая эффективность устройств класса Е. В них реализуется противофазное изменение напряжения и тока, что приводит к расширению возможностей усилительных устройств. Наряду с возможностью защиты усилителей от бросков высокого напряжения и тока появляется возможность минимизировать в них общие потери мощности, особенно во время переходных процессов.
Теория и техника усилителей класса Е исследовались N.O. Sokal and Alan D. Sokal, M.Y. Thanoun, C.T. Boon, F.H. Raab, P. Asbeck, S. Cripps, P.B. Kenington, Z.B. Popovich, N. Pothecary, J.F. Sevic, M.K. Kazimierczuk and Jacek Jozwik, P. Reyneart, M. Steyaert, Барановым А.В, Крыжановским В.Г. и другими учеными. Вместе с тем, особенности применения различных типов полевых транзисторов в устройствах рассматриваемого вида требуют более детального исследования. Это связано с тем, что устройства класса Е имеют реактивную нагрузку, и технология выполнения транзистора имеет важное значение (межэлектродные емкости значительно влияют на реактивное сопротивление цепи нагрузки), поэтому целесообразно использовать полевые транзисторы, имеющие более высокую граничную частоту.
Исследования в этом направлении являются актуальными. Анализ литературных источников позволил выявить, что существующие методы проектирования усилителей направлены в основном на модернизацию известных устройств на основе новой электронной компонентной базы. Однако в настоящее время затруднено проектирование усилителей мощности класса Е на базе МОП-транзистора из-за ограниченности применения последних в высокочастотном диапазоне.
Для устранения данного недостатка необходимо провести исследования по обоснованию методов построения электронных устройств на основе усилителей мощности класса Е, базирующихся на МОП-транзисторе.
В работе рассматриваются перспективные транзисторы указанного класса, исследуются особенности их применения с учетом реактивных свойств цепи в усилителях мощности класса Е. Учет этих особенностей показывает, что их целесообразно использовать при разработке усилителей мощности, в том числе и высокочастотных.
Таким образом, задача разработки методов проектирования усилителей класса Е, пригодных к применению на высоких частотах, на новой элементной базе является актуальной. Одновременно с этим возникает необходимость исследования и совершенствования существующих методов проектирования устройств, базирующихся на основе технологий класса Е. Анализ методов проектирования показал также целесообразность уточнения аналитического описания процесса линейного усиления сигнала с целью обоснованного выбора оптимальных параметров элементов принципиальной схемы и оптимального режима работы МОП-транзистора. Перспективным направлением повышения качества технологии проектирования усилителей класса Е является сочетание возможностей современных моделирующих программ с аналитическими методами расчета. Такой подход, с одной стороны, обеспечивает сокращение времени их разработки, а с другой стороны, позволяет рассчитывать параметры усилителей мощности в условиях функционирования при заданной частоте с требуемой мощностью. В связи с вышеизложенным, тема диссертации является актуальной.
Диссертация посвящена решению актуальных задач повышения качества проектирования усилителей мощности класса Е; выполнена в рамках одного из основных научных направлений ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Перспективные радиоэлектронные и лазерные устройства системы передачи, приема обработки и защиты информации» и ГБ НИР 2010.17 «Методы исследования и повышения надежности и качества при проектировании радиоэлектронных устройств и систем».
Целью работы является повышение эффективности методов проектирования усилителей мощности класса Е с использованием МОП-транзисторов на основе разработки модели усилителя и методов оценки характеристик его функционирования для различных режимов работы.
Для достижения цели необходимо решение следующих научных задач:
1. Разработать схемное решения усилителя мощности класса Е на основе МОП – транзистора и исследовать особености разработанного схемного решения.
2. Исследовать существуюшие и разработать новые аналитические модели оценки характеристик качества и параметров усилителя мощности класса Е с использованием МОП-транзистора.
3. Разработать методику проектирования усилителей класса Е на базе МОП-транзистора при различных режимах работы, учитывающую особенности функционирования устройств класса Е.
4. Получить результаты сравнительной оценки характеристик и параметров усилителей на основе МОП-транзистора методами моделирования и натурного эксперимента с целью оценки качества предложенной методики проектирования.
Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании основных положений и методов теорий: электрорадиоцепей, аналоговой схемотехники, электроники, усилительных устройств СВЧ. Использованы современные методы проектирования радиоэлектронной аппаратуры и методы моделирования сложных электрических цепей. Для оценки достоверности полученных результатов использован метод натурного моделирования усилителя мощности класса Е.
Научная новизна. В работе получены следующие теоретические результаты, отличающиеся научной новизной.
1. Новые уточненные аналитические модели оценки основных параметров и характеристик усилителя мощности класса Е на основе МОП-транзистора, в отличие от известных, учитывающие влияние сосредоточенных и распределенных элементов схемы на важнейшие показатели качества усилителя (КПД, линейность усиления, выходная мощность, динамический и частотный диапазон, спектр).
2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е, отличающаяся от известных применением комплексного подхода к проектированию: сочетание метода аналитического расчета усилителя с требуемыми параметрами, и метода имитационного моделирования элементов усилителя и устройства в целом (с помощью современных моделирующих программ) для повышения качества моделирования.
3. Схемное решение усилителя мощности класса Е: применение МОП-транзистора и дополнительных компенсирующих индуктивностей, которые позволяют увеличить КПД и улучшить спектральные характеристики выходного сигнала за счет нейтрализации реактивных свойств усилителя.
4. Методика комплексного исследования для анализа влияния режимов работы и параметров схемы усилителя на качество усилителя класса Е и новые результаты исследований по методике, полученные путем аналитического расчета, имитационного моделирования и натурного эксперимента.
Достоверность научных результатов. Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждена сходимостью оценочных значений характеристик качества устройств класса Е, полученных методами натурного эксперимента, моделирования с помощью программ Simetrix, Micro Cap и путем аналитического расчета. Подтверждена корректность методики проектирования устройств на основе сочетания методов моделирования и аналитического расчета.
Практическая значимость. Использование разработанных методов проектирования и исследования усилителей мощности класса Е позволяет сократить временные затраты на проектирование, повысить точность моделирования усилителей с заданными техническими характеристиками, а также автоматизировать процесс проектирования устройств класса Е.
Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертации внедрены в виде методики и схемных решений в ОКР ОАО «Концерн «Созвездие», в виде программ автоматизированного комплекса конструкторского проектирования базовых элементов в ОАО «НИИЭТ» и в виде учебно-методических материалов на кафедре «Радиотехника» в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». Акты внедрения прилагаются.
На защиту выносятся:
1. Аналитическая модель оценки параметров усилителя мощности Е класса с использованием МОП - транзистора.
2. Методика проектирования усилителя мощности класса Е на основе сочетания методов аналитического расчета и моделирования (для повышения точности проектирования).
3. Количественные оценки улучшения характеристик усилителей мощности класса Е за счет изменений в схемном решении.
4. Расчетные и экпериментальные результаты исследования режимов усиления и номиналов элементов на активную и реактивную составляющие выходной мощности, КПД, линейность усиления, динамический диапазон и час-тотные характеристики усилителя мощности класса Е.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на отчетных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского института высоких технологий (Воронеж, 2009, 2010), VIII международном семинаре, посвященном 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова (Воронеж, 2011), Всероссийской конференции по интеллектуальным информационным системам (Воронеж, 2011), XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация и связь» (Воронеж, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 5 – в изданиях, рекомендованных ВАК. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в автореферате, лично соискателю принадлежат: методика проектирования усилителя мощности класса Е [1, 3, 4, 11]; анализ режимов и схем усилителей мощности [2, 5]; обоснование предложений по повышению эффективности проектирования усилителей мощности класса Е с помощью моделирующих программ [6, 8, 9]; исследование и совершенствование принципов работы усилителей [4, 7, 10].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 183 наименований и приложения. Работа изложена на 148 страницах, содержит 59 рисунков и 5 таблиц.
