پاورپوینت تقویت کننده های توان

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

فصل12تقویت کننده های توان
12.1 -ملاحظات عمومی
12.2-کلاس های پایه تقویت کننده توان
12.3 -تقویت کننده توان بابازدهی بالا
12.4 -طبقات خروجی دوش سوار
12.5 -تطبیق امپدانس سیگنال بزرگ
12.6 -روش پایه ای خطی سازی
12.7 -مدولاسیون قطبی
12.8 -برون فازی
12.9-تقویت کننده توان دوهرتی
12.10-مثال های طراحی

اسلاید 2 :

نمای کلی فصل
تقویت کننده های توان کلاس A
تقویت کننده های توان کلاس B
تقویت کننده های توان کلاسC
تقویت کننده های توان کلاس Aبابهبودهارمونیکی
تقویت کننده های توان کلاسE
تقویت کننده های توان کلاس F
تقویت کننده های توان دوش سوار
تقویت کننده های توان با پسخور مثبت
تقویت کننده های توان با ترکیب توان
تقویت کننده های توان با مدولاسیون قطبی
تقویت کننده های توان برون فازی
پیشخور
پسخورکارتزین
پیش اعوجاج
مدولاسیون قطبی
برون فازی
دوهرتی

اسلاید 3 :

تقابل بین توان خروجی وسوئینگ ولتاژ

اسلاید 4 :

مثال RF CHOKE
قله جریانی که ازM1درشکل زیر می گذردچه قدراست؟فرض کنیدL1به اندازه کافی بزرگ است ولذا می توان آن رادرفرکانس موردنظرمداربازفرض کردکه دراین حالت به آن خفه کننده فرکانسی رادیویی یا RFCگفته می شود.
اگرL1بزرگ باشدجریان ثابتی IL1 ازآن خواهدگذشت.اگرM1شروع به خاموش شدن کند،این جریان ازRLخواهدگذشت ومنجربه ایجادولتاژثابتی به اندازه IL1RL خواهد شد.برعکس،اگرM1به طورکامل روشن شود،جریان سلف وجریان منفی برابر با IL1 ازRLبه سمت ترانزیستور رابه داخل خود می کشد،بنابراین قله دامنه ولتاژ به -IL1RL خواهد رسید.لذا قله جریان ترانزیستور خروجی برابر با 400mAخواهد بود.
:راه حل

اسلاید 5 :

قراردادن شبکه تطبیق
درتقویت کننده توان بالایک وات توان بامنبع ولتاژ1ولت به مقاومت بارRL=50Ω منتقل می شودمقدارRT
مقدارسوئینگ ولتاژقله تاقله،Vpp،دردرین ترانزیستورM1تقریبابرابر2ولت است.ازآنجا که:
جهت کاهش قله ولتازخروجی یک شبکه تطبیق بین تقویت کننده توان وبارقرارداده می شود.این شبکه مقاومت باررابه یک مقاومت کوچکتر،RT،انتقال می دهد.بنابراین می توان باسوئینگ های ولتاژکوچک
تر،توان موردنیازرابه بارمنتقل کرد.
بنابراین شبکه تطبیق باید RLراباضریب 100کوچک کند.شکل بالا مثالی ازیک ترانسفورماتوربدون تلفات راکه نسبت تعداد دورهای آن 1:10است نشان می دهدکه سوئینگ ولتاژ2-Vppدردرین ترانزیستورM1رابه سوئینگ 20-Vpp تبدیل می کند.ازمنظری دیگر،ترانسفورماتورولتاژ
درین راباضریب 10تقویت می کند.

اسلاید 6 :

مثالی ازطبقه سورس مشترک بابارسلفی
ولتازهای VxوVoutدرشکل زیررادرصورتی که M1آن قدرجریان بکشدتاVxرابه صفرببرد،برحسب زمان رسم کنید.فرض کنید شکل موج ها سینوسی هستند.هم چنین ،فرض کنیدL1وC1عناصری ایده آل وبسیاربزرگ هستند.
درنبود سیگنال،Vx=VDDوVout=0.بنابراین ولتاژدوسرC1باVDDبرابرخواهدبود.هم چنین مشاهده می کنیم درحالت ماندگارمقدار
متوسط Vxبایدهمواره برابرVDDباشد،زیراL1ایده آل است وبنابراین باید ولتاژمتوسطی برابر باصفرداشته باشد.یعنی،اگرVxازVDD
تانزدیک صفربرود،بایدازVDDتاحدود2VDDهم برودتامتوسط VxبرابرباVDDشود،شکل موج ولتاژخروجی همان شکل Vxخواهدبود
که به اندازه VDDبه پایین جابه جا شده است.
حل:

اسلاید 7 :

اثرجریان های بزرگ
اگرعرض ترانزیستورخروجی به اندازه کافی بزرگ انتخاب شودتا بتواندجریان بزرگ راازخودعبوردهد،خازن ورودی نیزبزرگ خواهد شد،بنابراین طراحی طبقات ماقبل بامشکل مواجه می شود.
مامیتوانیم این مشکل راباافزایش تدریجی ابعاد طبقات بین مخلوط کننده های بالابروطبقه خروجی حل کنیم.
مشکل دیگری که ازحمل جریان های acبزرگ درتقویت کننده های توان ناشی می شود،مربوط به پارازیتی های بسته بندی است.
جریان های بزرگ هم چنین می توانندمنجربه تلفات بزرگ درشبکه تطبیق شوند.

اسلاید 8 :

مثال پارازیت های بسته بندی
ترانزیستور خروجی درمثال قبل جریانی بین صفرتا4آمپررادرفرکانس 1GHZحمل می کند.حداکثرسلف قابل تحمل سیمک های اتصال که به صورت سری با سورس ترانزیستور قرار می گیردمشروط به این که افت ولتاژدوسراین سلف کمتراز
100mVباشد،چقدراست؟
جریان درین M1به صورت تقریبی برابر است با:
حل:
که درآن I0 = 2 A و ω0 = 2π(1 GHz)است.افت ولتازدوسر سلف سورس،Ls ،برابر است با:
که به مقدارحداکثر LSω0I0 می رسد.اگربخواهیم این افت ولتاژ کمتراز100میلی ولت باشد داریم:
مقداربسیارکوچک است.(سلف یک سیمک اتصال معمولا بیشتراز 1nHاست ).

اسلاید 9 :

بازده
بازده تقویت کننده های توان با دومعیارتعریف می شود:یکی (بازده درین)در پیاده سازی با ترانزیستورهایFETیا بازده کلکتوردرپیاده
سازی باترانزیستورهای دوقطبی که به صورت زیر تعریف می شود:
PAE = η
درفرکانس های بالا به دلیل پسخورناشی ازگیت –درین یک بخش حقیقی درZinایجادشدهوباعث می شوداز دهانه ورودی توان بیشتری کشیده شودبنابراین PAE < η.درتقویت کننده های توان بدون بار،ممکن است یک مقاومت ورودی 50Ωبه صورت تعمدی وارد کنیم که درآن PAE < ηخواهدشد.
درباره بازده توان افزوده طبقه سورس مشترک بحث کنید.

درفرکانس های پایین تامتوسط ،امپدانس ورودی خازنی است وبنابراین متوسط توان ورودی صفراست.بنابراین
که در ان PLتوان متوسط تحویلی به باروPsuppتوان متوسطی که ازمنبع ولتاژکشیده شده است را نشان می دهد.
بازده توان افزوده به صورت زیرتعریف می شود:
که دران Pinمتوسط توان ورودی است.

اسلاید 10 :

خطسانی
مشخصه یابی تقویت کننده توان با دوآزمون عمومی غیرخطسانی براساس تن های غیرمدوله شده آغاز می شود: اینترمدولاسیون و فشردگی.
فرض کنید ورودی مدوله شده به صورت زیرباشد:
خروجی می تواند به صورت روبه رو نوشته شود:
فرض می کنیم هردوی A(t)وØ(t) توابه غیرخطی و ایستا ازدامنه ورودی ،a(t)،هستند.به بیان دیگر:

اسلاید 11 :

تبدیل AM/AMوتبدیلAM/PMومدل رپ
برای طبقات پشت سرهم مدل کلی ممکن است پیچیده باشدورفتارAوØمتفاوت شود.
A[a(t)] and Φ[a(t)] represent “AM/AM conversion” and “AM/PM conversion”, respectively
یک شیوه دیگربرای بیان غیرخطسانی تقویت کننده توان مدل رپ نام دارد که به صورت زیربیان می شود:
این مدل که فقط غیرخطسانی ایستارادرنظرمیگیرد،درطراحی تقویت کننده های توان مدارمجتمع پرطرفدارتراست.

اسلاید 12 :

تقویت کننده های توان تک سر(Ⅰ)
این مشکل را می توان بااستفاده ازدوبه تک سربین بالابروتقویت کننده توان حل کرد.اما دوبه تک سردارای تلفات است.
مزایای تقویت کننده های تک سر:آنتن معمولا تک سراست ،و مدارهای فرکانس رادیویی تک سررا
راحت تر ازمدارهای مشابه تفاضلی آن ها می توان تست کرد.
مشکل اول تقویت کننده های تکسر:اول آنکه نیمی ازبهره ولتاژفرستنده رابه هدر می دهندزیراتنها یک خروجی ازبالابر دریافت می کنند.

اسلاید 13 :

تقویت کننده های توان تک سر(Ⅱ)
مشکل دوم تقویت کننده های توان تک سرازجریان های لحظه ای خیلی بزرگ که ازمنبع تغذیه به سمت زمین می کشدناشی می شود.
سلف سیمک اتصال تغذیه LB1،اگربا LDقابل مقایسه باشدمی تواندعملکرد نوسانیوامپدانسی شبکه
خروجی راتغییردهد.LB1باعث می شودکمی ازسیگنال طبقه خروجی ازطریق خطVDDبه طبقات ماقبل نشت کرده وباعث ایجادتموج درپاسخ فرکانس یاناپایداری شود،به طور مشابه سیمک اتصال زمین،LB2،
باعث ایجادپسخوروتضعیف عملکردخروجی می شود.

اسلاید 14 :

تقویت کننده های تفاضلی
پیاده سازی تفاضلی جریان های لحظه ای بسیار کوچک تری از خطوط Vdd وزمین می کشد وبنابراین حساسیت کوچکتری نسبت به LB1وLB2داردومنجربه پسخور کمتری خواهد شد.مشکل تبهگن شدن نیزبه میزان قابل توجهی کاهش می یابد.
اگرچه بااستفاده ازیک تقویت کننده توان تفاضلی مشکلات مربوط به بهره ولتاژوپارازیتی های بسته بندی اصلاح می شوداما تقویت کننده توان هنوزبایددربیشترمواردیک آنتن تک سرراراه اندازی کند.بنابراین اکنون بایدیک دو به تک سربین تقویت کننده توان وآنتن افزوده شود.

اسلاید 15 :

مثالی از بازده وتلفات درطرح دوبه تک سر
فرض کنیدیک دوبه تک سرباتلفات 1.5dbطرح شده است.درکدام یک ازفرستنده های شکل قبل این تلفات،بهره رابه صورت نامطلوب بیشترتحت تاثیرقرارمیدهد؟
Solution:
درمورد اول دوبه تک سربهره ولتاژرابه اندازه 1.5dbکاهش می دهداما توان زیادی مصرف نمی کندبه طورمثال اگرتوان تحویلی به وسیله بالابربه تقویت کننده توان حدود 0dbmباشدآنگاه تلفات به اندازه 1.5dbدردوبه تک سرمعادل باتلفات حرارتی 0.3mwاست.
دردومی دوبه تک سرکل توان تحویلیازتقویت کننده به بار را دریافت ولذاتوان قابل ملاحظه ای راتلف می کند.به طورمثال اگرخروجی تقویت کننده توان به 1وات برسد در آن صورت تلفات 1.5dbدر دوبه تک سرمعادل 300mWخواهدباشد بنابراین بازده زنجیر
فرستنده درحالت دوم بیشترتخریب می شود.

اسلاید 16 :

طبقه بندی تقویت کننده های توان:تقویت کننده های توان کلاس A
تقویت کننده توان کلاس Aبه صورت مداری تعریف می شودکه دران ترانزیستور(ها)همواره روشن هستندودرکلیه محدوده توان های ورودی وخروجی،به صورت خطی عمل می کنند.
اگرخطسانی موردنیازاست ،آنگاه عملکرد کلاس Aالزامی است.
حداکثربازده درین تقویت کننده کلاس A:

اسلاید 17 :

مثالی از تقویت کننده های کلاسA
آیا محاسبات فوق برای بازده بافرض خطی بودن طبقات کلاس A همخوانی دارد؟
خیر،با یک ورودی سینوسی،Vxدرشکل قبل تنها هنگامی به 2VDDمی رسدکه ترانزیستور خاموش شود.این امرتضمین می کند که سوئینگ جریان تحویلی به بار ازصفرتادوبرابر مقداربایاس می رود.
توضیح دهیدکه چرا درطبقات خروجی بابهره کوچکتقابل بین بازده-خطسانی جدی تر است؟
دوحالتی که درشکل زیر نشان داده شده انددرنظربگیرید.درهردوحالت ،اگرقرارباشد M1در t=t1درناحیه فعال باشدولتاژدرین باید از
V0 + Vp,in – VTH بزرگ ترباشد.درطبقه با بهره بزرگ درشکل زیر Vp,in کوچک است که منجر می شودVxبتواند نسبت به طبقه بابهره کوچک به صفرنزدیک شود.

اسلاید 18 :

بازده در حالت های مختلف مقیاس دهی
1-ولتاژتغذیه وجریان بایاس درسطوح موردنیازبرای توان خروجی کامل باقی می مانندوفقط سوئینگ سیگنال ورودی کاهش می یابد:
2-ولتاژتغذیه بدون تغییر باقی می مانداماجریان بایاس متناسب باسوئینگ ولتاژخروجی کاهش می یابند:
3-هم ولتاژتغذیه وهم جریان بایاس متناسب باسوئینگ خروجی کاهش می یابد:

اسلاید 19 :

مثالی ازطبقه خروجی بامنبع تغذیه ولتاژمتغییر
دانشجویی می خواهد یک طبقه خروجی بامنبع تغذیه متغییربه صورت شکل زیرطراحی کند.دراینجا ،M2درناحیه تریودبه عنوان یک مقاومت متغییربا ولتاژعمل می کندوC2گره Yرازمین acمی کند.آیا این مدار می تواند به بازده 50درصد
برسد؟
Solution:
خیرنمی تواند.متاسفانه ،M2خود توان مصرف می کند.اگرجریان بایاس برابرVp/Rinانتخاب شود،آن گاه کل توان کشیده شده از
VDDمستقل ازاینکه مقاومت حالت روشن M2چقدرباشدهمچنان برابرباVDDخواهد بود.بنابراین ،M2توانی برابرباRon2رامصرف می کند.

اسلاید 20 :

Bتقویت کننده توان کلاس
زاویه هدایت به صورت درصدی ازتناوب سیگنال ورودی که درطول آن ترانزیستورهاروشن باقی می مانندضربدر 360 °تعریف می شود.
درتقویت کننده توان کلاس Bسنتی ،دوطبقه موازی که هرکدام از آنهابرای 180درجه هدایت می کنند به کارمی رود-وبنابراین به بازده بالاتری نسبت به همتای کلاس Aخودمی رسد.