ДОСЛІДЖЕННЯ МОДЕЛІ ПІДСИЛЮВАЧА КЛАСУ Е З ВИСОКИМ ККД
DOI:
https://doi.org/10.31319/2519-2884.45.2024.14Ключові слова:
підсилювач потужності класу Е, модель класу Е, ККД, вихідна потужністьАнотація
У статті розглядається процес розробки та реалізації сучасної моделі ключового підсилювача потужності класу Е для діапазону 1,8 МГц з вихідною потужністю 4,3 Вт, який теоретично може забезпечити до 100 % ефективності в ідеальному випадку завдяки мінімізації потужності, що розсіюється під час перехідного процесу транзистору, навіть якщо час перемикання транзистора становить значну частину періоду сигналу. Основними перевагами пристрою є: відносно високий ККД, неускладнена конструкція, досить висока надійність, низька чутливість до характеристик транзистора, здатність транзистора працювати при значно меншій напрузі та перспектива для високоефективного високочастотного функціонування.
Основною метою було розробити, дослідити та побудувати корисну та практичну модель підсилювача класу E з високою енергоефективністю, яка в подальшому буде використовуватися як частина лабораторного стенду для практичних і лабораторних робіт студентів з курсу «Радіопередавальні пристрої».
Аналітичний огляд дав нам точний розрахунок основних компонентів і процесів, що допомогло уникнути використання транзистора в небажаних режимах і мінімізувало тривалість всього процесу переключення транзистора. Залежність була підтверджена практично: нижча навантажена добротність QL призвела до більшого виходу гармонік, вищої ефективності, ширшого регулювання частоти в смузі, тим часом як вища QL дала менший вихід гармонік, меншу ефективність, більш звужену можливість регулювання частоти в діапазоні. Вихідна потужність також вторинно залежить від QL — в разі ігнорування цієї залежності ми можемо отримати від 10 % до 38 % менше вихідної потужності від розрахункової.
Ретельний опис і розрахунки дали результати з точністю 2 %, струм навантаження як в моделі, так і в зразку є синусоїдальним з визначеним рівнем спотворення, як це було передбачено в процесі аналітичного проектування (QL = 8). Усі дослідження і моделювання підтверджені практично, транзистор залишається в безпечній робочій зоні, а експериментальний пристрій може використовуватися як частина радіопередавального обладнання низької потужності та як частина лабораторного стенду для здобувачів вищої освіти для дослідження особливостей і властивостей підсилювача класу Е.
Посилання
Sokal N.O. & Sokal A.D. (1975). Class E – a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers. IEEE J. Solid-State Circuits. V. SC-10, No 6. p. 168-176 [in English].
Kryzhanovskij V.G., Rassohina Yu.V., Rudyakova A.N., Shevchenko I.N. (2000) Tranzistornye usiliteli s vysokim KPD: obshie usloviya realizacii.[Transistor amplifiers with high efficiency: general realization conditions]. Tehnologiya i konstruirovanie v elektronnoj apparature – Technology and design of electronic devices, №5-6, p. 5-8 [in Russian].
Sokal N.O. (2001). Class-E power amplifiers. QEX, Communications Quarterly, p. 9-20, Jan./Feb. [in English].
Sokal N.O. & Sokal A.D. (1975), High-efficiency tuned switching power amplifier, U. S. Patent 3,919,656, Nov. 11 (now expired), [in English].
Mett O. (2015), Kak uprostit proektirovanie usilitelej klassa E s ispolzovaniem sinteza [How to simplify the designing of class E amplifiers with use of synthesis]. Sovremennaya elektronika – Modern electronics, № 7 [in Russian].
Sokal N.O. (2002). Class-E High-Efficiency RF/Microwave Power Amplifiers: Principles of Operation, Design Procedures, and Experimental Verification. Analog Circuit Design – Scalable Analog Circuit Design, High-Speed D/A Converters, RF Power Amplifiers: textbook pp. 269-301, Ed. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, ISBN 0-7923-7621-8 [in English].
Kryzhanovskij V.G., Rudyakova A.N., Chernov D.V. (2001). Metodika rascheta i issledovaniya usilitelya klassa E [Methods of calculation and researching of class E amplifier]. Tekhnologiya i konstruirovaniye v elektronnoy apparature - Technology and design in electronic devices, № 4-5, p.11-15 [in Russian].
Kryzhanovskij V.G., Rassohina Yu.V., Rudyakova A.N., Kazimirchuk M.K. (2001). Vysokoeffektivnye rezhimy raboty usilitelej SVCh [High efficiency modes of operation of SHF amplifiers]. 11th International Conference „Micriwave & Telecomunication Technology” (CriMiCo’2001), 10-14 September, Sevastopol, Crimea, Ukraine [in Russian].
Negut A., Pfeiffer R., Nicolin A., Bodea M., Dan C. (2005) A CMOS low voltage class-E power amplifier for UMTS [in English].
Shankar R., John Wiselin M.C., Kanchana D. & Sreeja. B.S. (2017). A 1Ghz class e power amplifier for wireless applications. International Journal of Electrical and Electronics Engineering Research (IJEEER) ISSN (P): 2250-155X; ISSN (E): 2278-943X Vol. 7, Issue 4, Aug 2017, p. 103-110 [in English].
Nadir Z. and Touati F. (2011). Class-E Amplifier Design Improvements for GSM Frequencies. The Journal of Engineering Research Vol 8 No. 1, p. 74-82 [in English].
Hongtak L., Yumi L., Changkun P., Songcheol H. (2009). Class-E CMOS PAs for GSM Applications. Journal of the Korean institute of electromagnetic engineering and science, vol 9, no. 1, March, p. 32-38 [in English].
Hafez F., Abdel-Halim Z. (2011). Class-E CMOS RF Power Amplifier Using Voltage-Booster for Mobile Communication System. Journal of Communication and Computer 8 (2011) 697-705 [in English].
Official website: “Ni Multisim”, Retrieved from https://www.ni.com/en/support/ down-loads/software-products/download.multisim.html#452133 [in English].
Sokal N.O. & Sokal A.D. Class E – a new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers. IEEE J. Solid-State Circuits. 1975. V. SC-10, No 6. P. 168–176.
Крыжановский В.Г., Рассохина Ю.В., Рудякова А.Н., Шевченко И.Н. Транзисторные усилители с высоким КПД: общие условия реализации. Технология и конструирование электронной аппаратуры, 2000. № 5–6. С. 5–8.
Sokal N.O. Class-E power amplifiers. QEX Communications Quarterly. pp.9-20, Jan./Feb. 2001.
Sokal N.O. and Sokal A.D. High-efficiency tuned switching power amplifier. U.S. Patent 3,919,656, Nov. 11, 1975 (now expired).
Озалас М. Как упростить проектирование усилителей класса E с использованием синтеза. Современная электроника № 7. 2015.
Sokal N.O. Class-E High-Efficiency RF/Microwave Power Amplifiers: Principles of Operation, Design Procedures, and Experimental Verification. Analog Circuit Design – Scalable Analog Circuit Design, High-Speed D/A Converters, RF Power Amplifiers: book, pp. 269-301; Ed. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 2002, ISBN 0-7923-7621-8.
Крыжановский В.Г., Рудякова А.Н., Чернов Д.В., Методика расчета и исследования усилителя класса Е. Технология и конструирование в электронной аппаратуре 2001, №4-5, с. 11-15.
Крыжановский В.Г., Рассохина Ю.В., Рудякова А.Н., Казимирчук М.К. Высоко-эффективные режимы работы усилителей СВЧ. Матеріали 11th International Conference „Micriwave & Telecomunication Technology” (CriMiCo’2001), Sevastopol, Crimea, Ukraine, September 2001, С. 10–14.
Negut A., Pfeiffer R., Nicolin A., Bodea M., Dan C. A CMOS low voltage class-E power amplifier for UMTS, 2005.
Shankar R., John Wiselin M.C., Kanchana D. & Sreeja. B.S. A 1Ghz class e power amplifier for wireless applications. International Journal of Electrical and Electronics Engineering Research (IJEEER) ISSN (P): 2250-155X; ISSN (E): 2278-943X Vol. 7, Issue 4 2017 , Aug 2017, P.103–110.
Nadir Z. and Touati F. Class-E Amplifier Design Improvements for GSM Frequencies. The Journal of Engineering Research Vol 8 No. 1, 2011, P. 74–82.
Hongtak L., Yumi L., Changkun P., Songcheol H. Class-E CMOS PAs for GSM Applications. Journal of the Korean institute of electromagnetic engineering and science, vol 9, no. 1, March 2009, P. 32–38.
Hafez F., Abdel-Halim Z. Class-E CMOS RF Power Amplifier Using Voltage-Booster for Mobile Communication System. Journal of Communication and Computer 8 (2011). P. 697–705.
Офіційний веб-сайт “Ni Multisim”, Режим доступу: https://www.ni.com/en/support/ down-loads/software-products/download.multisim.html#452133.
