Мощните радиочестотни усилватели клас D, наречени също мощни резонансни инвертори клас D се използват широко в различни устройства за преобразуване на постояннотокова енергия в променливотокова. Примери за резонансни усилватели са радиопредавателите, постояннотоковите преобразуватели, индукционните поялници и др. В режим клас D, транзисторите работят като ключове. Усилвателите клас D могат да бъдат разделени в две групи:
- усилватели клас D, работещи като ключове на напрежение;
- усилватели клас D, работещи като ключове на ток.
Обратно, усилвателите клас D, работещи като ключове на ток се захранват от източник на постоянен ток под формата на радиочестотен дросел и източник на постоянно напрежение. Тези усилватели съдържат паралелно-резонансна верига или такава, която произлиза от последователно свързана резонансна верига. Напрежението през резонансния кръг е синусоидално за високите стойности на качествения фактор. Напрежението през ключовете има форма на синусоидна полувълна, а токът през ключовете е с квадратна форма.
Едно голямо предимство на усилватели, работещи като ключове на напрежение, е ниското напрежение във всеки от транзисторите, равно на захранващото напрежение. Това прави тези усилватели удобни за устройства за високо напрежение. Например, може да бъде използвано изправено мрежово напрежение 220 V (или 277 V) за захранване на усилватели клас D. В допълнение, в тях могат да бъдат използвани и нисковолтови полеви транзистори. Такива полеви транзистори имат ниско-температурен режим на работа, което допринася за висока ефективност. Съпротивлението дрейн-сорс на полевите транзистори нараства значително с увеличаване на температурата на съединението. Това причинява увеличаване на загубите от протичане на `I_{rms}` (ефективната стойност на дрейновия ток). `r_{DS}` удвоява стойността си при увеличение на температурата със `100^@C` (например от `25^@C` до `125^@C`),
Описание на принципните схеми
 |
| Фиг.1. Полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение с последователен трептящ кръг и импулсен трансформаторен драйвер |
 |
| Фиг.2. Полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение с последователен трептящ кръг и импулсен трансформаторен драйвер с два източника на напрежение |
На фиг.3 е показана схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, в който превключващите устройства са PMOS и NMOS полеви транзистори. Тази схема може да бъде интегрирана за високочестотни приложения като предаватели за безжични комуникации.
Усилвателят клас D със CMOS полеви транзистори изисква само един драйвер. Обаче кръстосаната проводимост на двата транзистора може да предизвика остриета в дрейновите токове. Не припокриващите напрежения гейт-сорс могат да намалят този проблем, но драйверът ще стане по-сложен. Стойността на размаха на драйверното напрежение `u_G` гейт-сорс е равно или близко до напрежението на източника `U_I`, както в CMOS цифрови гейтове. Ето защо тази схема е подходяща единствено за ниски стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, обикновено `20 V`. При високи стойности на постоянното захранващо напрежение `U_I`, напрежението гейт-сорс трябва също да бъде високо, което може да доведе до рязък спад на напрежението на гейта.
Режими на работа.
Режимите на работа на усилвател клас D са обяснени посредством вълновите форми, показани на фиг.6. Напрежението на входа на последователния трептящ кръг е квадратна вълна с големина `U_I`. Ако качественият фактор на товара `Q_L=sqrt{L/C}/R` на трептящия кръг е достатъчно висок (например `Q_L>=2.5`), токът `i` в тази схема е почти синусоида. Само при `f=f_0`, MOS транзисторът включва и изключва при нулев ток, което води до нулеви ключови загуби и повишава ефективността. В този случай антипаралелният диод не пропуска ток. В много приложения работната честота `f` не е равна на `f_0=1/{2pi sqrt{LC}}`, понеже изходната мощност или изходното напрежение често се управлява чрез изменение на работната честота (честотно модулационно управление). Фиг.4.6 (a),(b),(c) Показва формата на сигнала съответно при `f<f_0`, `f=f_0` и `f>f_0`. Толерансът на включващото гейт-сорс напрежение е показано като защриховани зони на графиката. Всеки от транзисторите трябва да да "включи" (т.е. да бъде отпушен) при `f<f_0` и да "изключи" (т.е. да бъде запушен) при `f>f_0` в интервала, когато токът през ключа е отрицателен. По време на този интервал токът през ключа може да циркулира през антипаралелния диод. За да бъде предотвратена кръстосана проводимост, формата на вълната на управляващите напрежения `u_{GS1}` и `u_{GS2}` не трябва да се застъпват и да имат достатъчно мъртво време (това не е показано на фиг.6.). При изключване полевият транзистор има времезакъснение, а биполярният транзистор има време на съхранение. Ако мъртвият период на гейт-сорс напрежениията на двата транзистора е твърде кратко, единият транзистор остава "включен", докато другият се изключва. В следствие на това двата транзистора остават "включени" в един и същ момент захранващото напрежение бива свързано накъсо през съпротивленията `r_{DS1}` и `r_{DS2}` при отпушено състояние на транзисторите. По тази причина през транзисторите протича импулсен ток на кръстосана проводимост с големина `I_{pk}=U_I/(r_{DS1}+r_{DS2})`.
 |
| Фиг.6. Вълнови форми на полумостова схема на мощен радиочестотен усилвател клас D, работещ като ключ на напрежение: (а) при `f<f_0`; (b) при `f=f_0`; (c) при `f>f_0` |
Мощен усилвател клас D с комплементарни транзистори, работещи като ключове на напрежение - анализ, предавателна функция, честотна лента.
КПД на полумостова схема, работа с AM сигнали.
Няма коментари:
Публикуване на коментар