Усилитель класса E

Усилитель класса E представляет собой усилитель, работающий в ключевом режиме. В отечественной литературе не производится разделения ключевого режима на различные классы, однако, учитывая существенные различия работы транзистора в ключевом режиме на низких и высоких частотах, мы будем придерживаться зарубежной классификации. Один из вариантов классификации усилителей мощности в зарубежной литературе приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Классы усилителей

На вход транзистора, работающего в ключевом режиме, подается высокочастотный сигнал, полезная информация в котором содержится в его частоте и фазе. Амплитудная модуляция в нем отсутствует, поэтому усилители класса E в основном подходят только усиления сигналов с угловой модуляцией, таких как F3E, G3E для аналоговых сигналов или F1D, G1D (виды модуляции GMSK, MSK, FFSK) для цифровых видов модуляции. Ввести амплитудную составляющую модуляции можно, изменяя напряжение питания этих усилителей в DC-DC преобразователях.

Основным недостатком усилителя класса D, работающего на высоких частотах является снижение к.п.д. из-за влияния выходной емкости транзистора и паразитных емкостей печатной платы. В усилителях класса E эти емкости включаются в состав схемы усилителя. Упрощенная схема усилительного каскада, работающего по данному принципу, приведена на рисунке 2

Рисунок 2. Усилитель класса E

В данной схеме транзистор VT1 работает в качестве электронного ключа, конденсатор C0 предотвращает протекание постоянного тока по сопротивлению нагрузки R. Для упрощения понимания основных принципов работы усилителя класса E воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3. Эквивалентная схема усилителя класса E

При замыкании ключа S ток, протекающий по индуктивности L, начинает возрастать по экспоненциальному закону. Так как сопротивление открытого ключа равно нулю, то и напряжение на нем в этот момент равно нулю.

При размыкании ключа S ток индуктивности I0 начинает заряжать конденсатор C в состав которого входят и все паразитные емкости схемы. Ток через ключ в это время равен нулю. Временные диаграммы напряжения и тока в схеме, приведенной на рисунке 3, показаны на рисунке 4.

Рисунок 4. Временные диаграммы напряжения и тока в идеализированном усилителе класса E

Как видно из этих временных диаграмм, если напряжение на конденсаторе в момент времени T будет равно нулю, то к.п.д. усилителя можно получить равным 100%. К сожалению, напряжение и ток на выходе усилителя, изображенного на рисунке 2 существенно отличаются от синусоидальных. Такой сигнал подавать в антенну нельзя. Поэтому для того, чтобы пропустить на выход схемы только сигнал основной частоты, между сопротивлением нагрузки и выходом усилителя ставят LC контур. Подобная принципиальная схема усилителя класса E приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема усилителя класса E

Для понимания принципов работы удобнее пользоваться упрощенной схемой, поэтому так же как и в предыдущем случае составим функциональную схему. Она приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Функциональная схема идеализированного усилителя класса E

Собственно усилитель образуется электронным ключом S, индуктивностью L и конденсатором C_P. При этом элементы L₀ и C₀ образуют колебательный контур, который настроен на первую гармонику полезного сигнала. Он пропускает на выход синусоидальный ток, который протекает по сопротивлению нагрузки R_L. Временная диаграмма этого тока приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Временная диаграмма тока, протекающего через последовательный контур и нагрузку R_Н

При работе ключа S часть периода ток будет протекать через ключ, а часть через конденсатор C_P. В результате токи, показанные на рисунках 4 и 7, просуммируются и ток, протекающий через ключ S будет выглядеть так, как показано на рисунке 8.

Рисунок 8. Временная диаграмма тока, протекающего через ключ S

Ток, протекающий при этом через конденсатор C_P будет выглядеть следующим образом:

Рисунок 9. Временная диаграмма тока, протекающего через конденсатор C_P

Реактивный компонент jX вносит необходимый фазовый сдвиг между выходным напряжением U₀(t) и напряжением на ключе U_S(t)

Литература:

Andrei Grebennikov, Nathan O. Sokal Switchmode RF Power Amplifiers — Elsevier Inc., 2007
Steve C. Cripps RF Power Amplifiers for Wireless Communications — ARTECH HOUSE, INC., 2006
Marian K. Kazimierczuk RF Power Amplifiers — John Wiley & Sons, Ltd 2008
Радиопередающие устройства: учебник для ВУЗов; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003.
Артым А.Д. Ключевые генераторы гармонических колебаний — Л.: Энергия, 1972.

Радиотехника Классы усилителей Реальная физика ТОЭ ТЭЦ Работы с генератором Тесла

Знаете ли Вы, почему "черные дыры" - фикция?
Согласно релятивистской мифологии, "чёрная дыра - это область в пространстве-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света (в том числе и кванты самого света). Граница этой области называется горизонтом событий, а её характерный размер - гравитационным радиусом. В простейшем случае сферически симметричной чёрной дыры он равен радиусу Шварцшильда".
На самом деле миф о черных дырах есть порождение мифа о фотоне - пушечном ядре. Этот миф родился еще в античные времена. Математическое развитие он получил в трудах Исаака Ньютона в виде корпускулярной теории света. Корпускуле света приписывалась масса. Из этого следовало, что при высоких ускорениях свободного падения возможен поворот траектории луча света вспять, по параболе, как это происходит с пушечным ядром в гравитационном поле Земли.
Отсюда родились сказки о "радиусе Шварцшильда", "черных дырах Хокинга" и прочих безудержных фантазиях пропагандистов релятивизма.
Впрочем, эти сказки несколько древнее. В 1795 году математик Пьер Симон Лаплас писал:
"Если бы диаметр светящейся звезды с той же плотностью, что и Земля, в 250 раз превосходил бы диаметр Солнца, то вследствие притяжения звезды ни один из испущенных ею лучей не смог бы дойти до нас; следовательно, не исключено, что самые большие из светящихся тел по этой причине являются невидимыми." [цитата по Брагинский В.Б., Полнарёв А. Г. Удивительная гравитация. - М., Наука, 1985]
Однако, как выяснилось в 20-м веке, фотон не обладает массой и не может взаимодействовать с гравитационным полем как весомое вещество. Фотон - это квантованная электромагнитная волна, то есть даже не объект, а процесс. А процессы не могут иметь веса, так как они не являются вещественными объектами. Это всего-лишь движение некоторой среды. (сравните с аналогами: движение воды, движение воздуха, колебания почвы). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира