Metode de linearizare a amplificatoarelor de RF de putere
Lugoj 2003
Liviu, YO2BCT
In emit,a(toarele radio, etajul final este cel mai mare consumator de putere. De aceea este de dorit ca acest etaj sa( funct,ioneze cu randamentul maxim posibil. In cazul emit,a(toarelor SSB (sau a altor moduri de lucru ex. PSK) este necesar ca etajul final sa( lucreze în regim liniar, adica( puterea de ies,ire sa( fie proport,ionala( cu cea de intrare, sau altfel spus, sa( nu se genereze componente spectrale (armonice s,i componenete de intermodulat,ie) inexistente în semnalul RF init,ial. Funct,ionarea cu randament mare se obt,ine numai în clasa( C sau B, care în mod inerent introduc distorsiuni, astfel ca( practic se face un compromis, utilizîndu-se pentru regimul liniar numai clasa AB, caracterizata( prin existent,a unui curent init,ial. Ar fi de dorit un regim de funct,ionare care sa( conserve randamentul mare al clasei C s,i în acelas,i timp sa asigure s,i o liniaritate suficienta( (produse de intermodulat,ie de ordinul trei sub –35 dB).
Vom prezenta în continuare posibilita(t,ile tehnice cunoscute pentru liniarizarea etajelor de putere care nu sunt în sine liniare.
1.Cea mai simpla( metoda( este cres,terea curentului init,ial de lucru. Aceasta duce la deplasarea punctului de funct,ionare ca(tre clasa A, crescând liniaritatea, dar sca(zînd randamentul. Daca( nu este vorba de etajul final, sau nivelul de putere este redus (de ordinul a 10 W), funct,ionarea cu randament mai redus (25-30%) se poate accepta. Majoritatea transceiverelor SSB de UUS utilizeaza( tranzistoare de putere mai mare decît strictul necesar, într-un regim cu curent de repaos ma(rit, pentru a furniza un semnal de calitate necesar la excitarea unui final de mare putere. Aceeas,i idee se rega(ses,te la unele trasnceivere de US unde se poate trece prin comutare la regimul de funct,ionare în clasa A al etajului final ( tot în ideea de a putea furniza un semnal de excitat,ie perfect pentru un final de mare putere).
2.React,ia negativa(. Aplicata( cu succes pentru reducerea distorsiunilor în audiofrecvent,a(, react,ia negativa( se poate aplica în principiu s,i în RF, cu aceleas,i urma(ri: sca(derea amplifica(rii s,i reducerea în aceeas,i ma(sura( a distorsiunilor. Gradul de react,ie aplicat pe un singur etaj (finalul, pentru ca( el este principalul generator de distorsiuni) reduce drastic amplificarea acestuia, astfel ca( este necesara( ma(rirea puterii de excitat,ie, excitat,ie care trebuie furnizata( fa(ra( distorsiuni, ceea ce muta( problema distorsiunilor cu un etaj mai în fat,a(. Aplicarea react,iei peste mai multe etaje, la nivele mici de putere (as,a cum se procedeaza( în AF) nu este posibila( decât la frecvent,e joase din gama HF, din cauza defazajelor introduse de etajele RF succesive, care fac foarte dificila( asigurarea stabilita(t,ii. Deci în practica( bucla de react,ie nu poate cont,ine mai multe etaje, ci se poate aplica doar pe fiecare etaj în parte, cu dezavantajul sca(derii amplifica(rii. Solut,ia se aplica( practic pentru amplificatoarele de TV în cablu de banda( larga(.
3.React,ia negativa( în banda de baza( ( a semnalului modulator). Banda de baza( fiind mult mai îngusta( decât cea a semnalului RF, react,ia este mult mai us,or de realizat, fa(ra( probleme de stabilitate.
Fig.1 React,ie negativa( în banda de baza( (a semnalului modulator)
In fig. 1 este reprezentata( o schema( care ilustreaza( principiul react,iei în banda de baza(. Principiul este simplu: o fractiune din semnalul de ies,ire este demodulat s,i serves,te ca semnal de react,ie care compenseaza( neliniarita(t,ile întregului lant, de RF (modulator, amplificatoare) cu condit,ia ca demodularea sa( fie liniara(, ceea ce se poate realiza relativ us,or la nivele mici de semnal.Exista( doua( dezavantaje majore în aplicarea acestui principiu: în primul rând timpul mare de întârziere în bucla de react,ie face sistemul aplicabil numai pentru frecvent,e modulatoare joase. Pentru modulat,ia cu semnal vocal, cu spectrul limitat la circa 3 kHz nu apar probleme deosebite. In al doilea rînd, pentru aplicarea sistemului este necesara( existent,a unui receptor. Nici acesta nu este un impediment major în sistemele transceiver, unde exista( un receptor care nu este utilizat pe durata emisiei s,i care se poate folosi în bucla de react,ie.
4.Compensarea distorsiunilor (feed forward). In fig.2 este prezentata( o schema( feed forward. Funct,ionarea se bazeaza( pe presupunerea ( în general corecta() ca( distorsiunile sunt mici (puterea componentelor spectrale stra(ine , generate în amplificatorul RF este cu cel put,in 20 dB sub nivelul semnalului util) s,i ca( amplificatorul 2, care lucreaza( la nivel mic ( 1% din puterea amplificatorului principal 1) este lipsit de distorsiuni. La ies,irea din amplificatorul 1, semnalul amplificat este însot,it de produse de intermodulat,ie. Cuplorul de RF cu o atenuare egala( cu amplificarea lui RF1 aduce semnal la sumatorul 1, unde se realizeaza( anularea semnalului util, ra(mânând numai distorsiunile, care sunt amplificate cu RF2 la un nivel convenabil, astfel ca în sumatorul 2 sa( compenseze exact produsele de intermodulat,ie ale lui RF1, la ies,ire obt,inându-se numai semnalul util amplificat, fa(ra( distorsiuni.
Fig.2 Schema "Feed forward"
Schema poate funct,iona corect numai într-o banda( de frecvent,e redusa( fat,a( de purta(toare, iar nivelele de semnal aplicate sunt critice. Independent,a fat,a( de nivelul semnalului (distorsiunile generate fiind o funct,ie de acesta) se poate realiza cu o schema de feed forward adaptiv, în care senzori de putere la ies,irea amplificatorului RF1 s,i dupa( sumatorul 2 furnizeaza( informat,ia necesara( pentru reglarea fazei s,i amplifica(rii lui RF2. Schema feed forward în bucla( deschisa( poate realiza reduceri ale componentelor de intermodulat,ie de pîna( la 10 dB, iar cea adaptiva( de pîna( la 25 dB.
5.Eliminarea s,i restaurarea anvelopei. (EER –envelope elimination and restoration). Aceasta( tehnica( (fig.3) corecteaza( numai distorsiunile de amplitudine fiind deci utilizabila( pentru semnale de modulat,ie vocale (urechea nu este sensibila( la distorsiuni de faza().
Fig.3 Eliminarea s,i restaurarea anvelopei
Ideea de baza( este simpla(: semnalul modulat de RF este amplificat s,i limitat s,i serves,te la excitarea unui amplificator de putere de RF, a ca(rui tensiune de alimentare este proport,ionala( cu anvelopa de modulat,ie. Semnalul de excitat,ie cont,ine numai informat,ia de frecvent,a( s,i faza(, iar informat,ia de amplitudine este reintrodusa( prin modularea în amplitudine a amplificatorului de RF. Etajul RF poate lucra în clasa( C, cu randament foarte bun, iar sursa lui de alimentare se poate construi ca o sursa( în comutat,ie, de asemenea cu randament bun. Unele emit,a(toare de satelit utilizeaza( asemenea scheme, pentru ca( energia disponibila( este limitata( s,i schemele clasice de amplificatoare liniare ar avea randamente inacceptabil de mici. Semnalul RF de dupa( limitator se poate multiplica în frecvent,a(, realizîndu-se astfel mai us,or funct,ionarea la frecvente ridicate unde translat,ia prin mixare prezinta( dificulta(t,i. Daca( se aplica( s,i o react,ie se pot obtine reduceri ale distorsiunilor de pâna( la 18 dB. Schema se poate completa cu un detector de faza( care act,ioneaza( un defazor reglabil, realizând astfel s,i compensarea distorsiunilor de faza(.
6.Predistorsionarea. Daca( înainte de aplicarea la intrarea etajului RF de putere semnalul se predistorsioneaza( dupa( o curba( complementara( cu cea a etajului RF, distorsiunile se compenseaza(.
Fig.4 Predistorsionare in RF
Fig.5 Predistorsionare în banda de baza(
Realizarea unei caracteristici neliniare impuse în RF este mai dificila(, de aceea se prefera( predistorsionarea în banda de baza(, care e mult mai us,or de realizat, dat fiind frecvent,ele mai reduse implicate. Utilizând s,i react,ia, se pot obt,ine îmbuna(ta(t,iri de 5-10 dB.
7.Alimentarea dinamica(. Daca( etajul final de RF în clasa A se alimenteaza( cu o tensiune proport,ionala( cu anvelopa semnalului (fig.6) etajul de putere va lucra cu un randament mult mai bun s,i cu o disipat,ie de putere proport,ionala( cu puterea semnalului, deci cu o putere medie disipata( mult mai redusa(.
Conservându-se liniaritatea etajului în clasa( A, acesta se apropie ca randament de funct,ionarea în clasa( B. Sistemul se aplica( s,i în audiofrecvent,a(, fiind cunoscut ca amplificator clasa( H ( respectiv clasa( G, daca( tensiunea nu variaza( continuu ci în trepte)
Fig.6 Alimentare dinamica( a etajului final
O observat,ie valabila( pentru toate sistemele cu tensiunea de alimentare a finalului variabila(, obt,inuta( dintr-o sursa( în comutat,ie: este necesar ca riplul tensiunii de ies,ire a sursei sa( fie foarte redus, în caz contrar orice tensiune variabila( va modula în amplitudine semnalul RF, generînd linii spectrale nedorite.
Sper ca cele prezentate sa( constitue un imbold pentru radioamatorii constructori în experimentarea unor solut,ii moderne de amplificatoare liniare, fie pentru cres,terea randamentului, fie pentru reducerea distorsiunilor s,i generarea unui semnal cât mai curat. Problemele tehnice legate de liniarizare nu sunt deosebit de dificile în aplicat,iile pentru radioamatori, dat fiind spectrul redus al benzii de baza( (frecvent,e vocale). Impreuna( cu schemele de etaje finale de mare randament (clasa D, E, F) acestea pot constitui un domeniu vast de experimenta(ri s,i progres tehnic.
Multumesc Liviu!
Referatul a fost primit prin Email la data de: Thursday, January 15, 2004