28.arfp Puterea Utila.liniaritatea

AMPLIFICATOARE DE RADIOFRECVENŢĂ DE PUTERE 4.1 GENERALITĂŢI Un amplificator de radiofrecvenţă de nivel mare (amplificator de radiofrecvenţă de putere - ARFP) este caracterizat de patru parametrii importanţi:  puterea continuă Pa aplicată la amplificator. Aceasta este puterea furnizată montajului de către sursa de alimentare (puterea absorbită);  puterea Pu (puterea utilă) debitată de amplificator pe sarcina Rs . Această putere este măsurată, în general, în regim sinusoidal;  puterea Pi (puterea de intrare) alternativă, aplicată la intrarea amplificatorului. Ea este întotdeauna mai mică decât Pu ;  puterea disipată Pd (sub formă de căldură şi radiaţii) de către amplificator.

Fig.1 Aceste patru mărimi sunt legate prin relaţia (conservarea puterilor): Pa  Pi  Pu  Pd , iar raportul Pu Pi este egal cu câştigul G în putere al amplificatorului. La frecvenţe joase câştigul G este suficient de mare, astfel încât, în relaţia precedentă, se poate neglija Pi . La frecvenţe mari, câştigul unui etaj de amplificare de nivel mare este mult mai scăzut, fapt pentru care este necesar

să ţinem cont de Pi în bilanţul puterilor (la frecvenţe foarte mari, G poate fi de ordinul a 6÷10 dB). Există două caracteristici importante ale unui etaj de amplificare de putere:  liniaritatea, care se caracterizează prin faptul ca semnalul debitat pe sarcina Rs trebuie să reproducă cât mai fidel posibil semnalul de la intrare;  randamentul notat cu   Pu Pa trebuie să fie cât mai mare posibil (limita teoretică fiind 1). Cerinţa privind obţinerea unei bune liniarităţi este, în general, în contradicţie cu cea privind obţinerea unui randament ridicat şi, ca urmare, natura semnalului amplificat va privilegia una sau alta dintre caracteristici. De exemplu, într-un emiţător TV, cerinţa principală este liniaritatea; pentru un astfel de semnal de spectru foarte larg, neliniarităţile degradează sensibil calitatea imaginilor transmise, astfel că, etajele de nivel mare prezintă un randament de ordinul a 30÷40%. În schimb, în radiodifuziunea cu modulaţie de frecvenţă, unde semnalul este de amplitudine constantă, se poate optimiza randamentul etajelor de nivel mare. Printre alte caracteristici ale unui ARFP mai putem enumera:  gama frecvenţelor de lucru: fmin ÷ fmax;  lărgimea de bandă o ARFP selective sau de bandă îngustă; o ARFP de bandă largă;  atenuarea armonicilor frecvenţei purtătoare;  impedanţa de intrare;  impedanţa de sarcină; 4.2. PRINCIPALII PARAMETRI 4.2.1 Puterea utilă Puterea utilă Pu , a unui etaj ARFP poate varia în limite foarte largi, în funcţie de locul etajului în lanţul de emisie şi de destinaţia emiţătorului, de la ordinul watt-ilor la ordinul kilowatt-ilor. Practic, această putere este limitată de puterea disipată admisă de tipul de element activ (EA) utilizat. La alegerea punctului static de funcţionare, indiferent de clasa de funcţionare a EA, trebuie să se aibă în vedere ca dreapta de sarcină să se găsească sub hiperbola de disipaţie (de exemplu

Q  I C 0 A ,VCE 0 A  – clasă A – în fig.). Pe lângă Pd max , orice EA este caracterizat de un curent maxim ce îl poate străbate (IM) şi de o tensiune maximă admisă pe electrozii de ieşire (VCEM), mai mică decât tensiunea de străpungere a EA. Ca urmare, trebuie avut în vedere ca valorile maxime ale curentului şi tensiunii de colector să nu depăşească valorile maxime admise. Pe baza tuturor acestor considerente se pot stabili, pentru o anumită clasă de funcţionare, valorile lui I C 0 , I CM şi, respectiv, amplitudinile fundamentalei curentului de colector I C1 şi a tensiunii de ieşire VC, pe baza cărora putem stabili puterea utilă obţinută cu EA ales:

PU 

1 VC I C1 . 2

Fig. 2 Valorile limită ale curentului şi tensiunii de colector

Uneori, puterea utilă astfel determinată este mai mică decât ceea ce ne doream să obţinem. Din analiza expresiei lui Pu rezultă posibilitatea creşterii acesteia prin:  multiplicarea tensiunii de colector VC;  multiplicarea curentului de colector I C1 , ceea ce determină majorarea puterii utile totale:

1 1 PUT = ( NVC ) I C1 = VC ( NI C1 ) = NPU 2 2 Practic, multiplicarea tensiunii de colector este posibilă prin conectarea în serie a două elemente active, constituind două ARFP ce lucrează în contratimp. 1

i0(t)

2

ARFP

R0

2v0

2vin ARFP 1’

2’

Fig. 3 Conectarea serie a EA iC(t)

iC(t) L

C

VC

~

VCC C

2vb(t) C⁄2

2L

2vC(t)

VC L

-iC(t)

Fig.4 Schema în contratimp Numărul de EA utilizate în fiecare ARPF poate fi la rândul său dublat dacă folosim două EA conectate în paralel, fapt ce ne permite dublarea curentului în sarcină. Acest mod de conectare este prezentat în fig. 5:

1 2iint(t)

2iC(t)

2

ARFP Vint(t)

v0(t) ARFP

1′

vb(t)

2′

L

L C

C

VC(t)

~

L⁄2 2C

Fig.5 Astfel, utilizând o schemă combinată putem să ajungem la o putere utilă de patru ori mai mare decât cea realizată cu un singur EA. Creşterea în continuare a puterii utile este posibilă utilizând sisteme de însumare a puterii mai multor ARFP realizate cu transformatoare de bandă largă. 4.2.2 Liniaritatea ARFP Liniaritatea unui ARFP este caracterizată cu ajutorul funcţiei de transfer a acestuia ce pune în evidenţă dependenţa puterii de ieşire de puterea aplicată la intrare: Pieş = f (Pint), de regulă cu puterile exprimate în dBm:

Pieş[dBm] saturaţie 20 10 punct de compresie cu 1 dB

0 -10 -20 -30

Pint[dBm] -60

-50 -40 -30 -20

-10

0

Fig.6 O primă modalitate de apreciere a liniarităţii unui ARFP este cu ajutorul coeficientului distorsiunilor armonice, care însă nu caracterizează în mod deosebit funcţionarea ARFP de radiofrecvenţă, mai ales când sarcina acestuia este selectivă şi înlătură armonicele superioare. O altă modalitate de apreciere a liniarităţii unui ARFP este cu ajutorul punctului de compresie cu 1dB, care se determină grafic prelungind dreapta ce defineşte zona liniară de funcţionare a ARFP şi stabilind pe aceasta punctul faţă de care caracteristica reală este la o distanţă de 1dB (vezi figura 7). Cu cât acest nivelul semnalului de intrare corespunzător este mai mare, cu atât liniaritatea ARFP-ului este mai bună.

Fig. 7 Punctul de compresie cu 1dB Testarea liniarităţii ARFP folosind metodele menţionate se face cu un singur semnal de test, ceea ce nu întotdeauna este elocvent, îndeosebi în cazul unor ARFP utilizate pentru transmiterea semnalelor multiplex, de bandă largă, situaţie în care liniaritatea ARFP poate conduce la apariţia unor componente spectrale noi, rezultate în urma unor combinaţii între fundamentalele sau armonicele componentelor din spectru de bază. În acest caz aprecierea liniarităţii se face cu ajutorul produselor de intermodulaţie de ordinul doi, ce presupune combinaţii de forma ω1 ± ω2 şi a celor de ordinul trei de forma 2ω1 ± ω2 (fig. 8). Testarea, în acest caz, presupune utilizarea unui semnal de intrare biarmonic (două semnale de amplitudini egale şi frecvenţe diferite, de dorit prime între ele): vi  cos 1t  cos 2t Pentru a determina produsele de intermodulaţie vom aproxima caracteristica neliniară a ARFP cu o formă polinomială: vieş  a1vi  a2vi2  a3vi3  ...

Fig. 8 Testarea cu semnal biarmonic Presupunând că semnalele de test au amplitudini şi faze iniţiale egale, componentele de intermodulaţie de ordinul trei, de forma cos(2ω1t – ω2t) sau cos(2ω1t + ω2t) sunt generate de termenul a3vi3 , iar cele de ordinul doi de termenul a2vi2 . Pentru a caracteriza liniaritatea ARFP în acest caz se folosesc noţiunile:  punct de intercepţie de ordinul 2 – IP2;  punct de intercepţie de ordinul 3 – IP3, a căror interpretare grafică este prezentată în figura 9.

Fig. 9 Punctele de intercepţie

Punctul de intercepţie de ordinul trei (IP3) are coordonatele x  Q3  G , respectiv y  Q3 şi se găseşte la intersecţia dreptei de pantă 1:1, care caracterizează funcţionarea în regim liniar a ARFP, cu dreapta de pantă 3:1, caracteristică produselor de ordinul trei, deoarece: P3 :  a3vi3  :  vi2  :  Pi 2

iar în dBm:

3



3

,

P3  dBm  : 3Pi  dBm  .

Ecuaţia acestei drepte poate fi exprimată prin:

y − Q3 =3 x − (Q3 − G ) unde x  Pi - reprezintă puterea uneia din fundamentalele semnalului de intrare în dBm, iar y - reprezintă puterea produselor de intermodulaţie de ordinul trei corespunzătoare, tot în dBm, la ieşirea amplificatorului - P3 .

Fig. 10 Punctul de intercepţie de ordinul trei În fig. 10 este reprezentată dependenţa puterii de ieşire pentru o frecvenţă fundamentală a semnalului de intrare în funcţie de puterea de intrare, considerând o pantă unitară a porţiunii liniare, precum şi modificarea

puterii produselor de intermodulaţie de ordinul trei odată cu fundamentala. Panta acestei din urmă caracteristici va fi trei. Punctul de intercepţie de ordinul trei se poate raporta la oricare din porţile amplificatorului – la poarta de intrare – IP3i, respectiv de ieşire – IP3ies. Între cei doi parametri va exista relaţia: IP3ies  IP3i  G . În aceste condiţii, puterea produselor de intermodulaţie de ordinul trei la ieşire, în funcţie de puterea de intrare a unui singur semnal fundamental, de câştigul ARFP şi de punctul de intercepţie de ordinul trei la iaşire IP3ies (totul exprimat în dB) va fi: P3  3Pi  2 IP3ies  3G . Între puterea de la intrarea ARFP şi cea de la ieşirea sa, în condiţiile unei funcţionări liniare, există legătura: Pies  Pi  G . Folosind această relaţie, amplitudinea produselor de intermodulaţie de ordinul trei se poate exprima în funcţie de puterea semnalului la ieşire şi punctul de intercepţie de ordinul trei astfel: P3  3Pies  2 IP3ies . Din cele prezentate până acum, rezultă că punctul de intercepţie de ordinul trei este o noţiune pur teoretică, deoarece, practic nu se poate obţine intersecţia celor două caracteristici din cauza intrării în regim de limitare a ARFP (vezi fig. 10). De regulă, punctul de compresie cu un dB se află cu aproximativ 10 dB sub punctul de intercepţie de ordinul trei. Acesta din urmă poate fi determinat practic la o putere a semnalelor de intrare pentru care ARFP-ul nu a intrat încă în limitare, analizând spectrul semnalului obţinut la ieşire în aceste condiţii (vezi fig. 11).

Fig. 11 Determinarea punctului de intercepţie de ordinul trei Cunoscând puterea unei fundamentale şi a unui produs de intermodulaţie de ordinul trei la ieşirea ARFP, pornind de la ultima relaţie putem determina punctul de intercepţie de ordinul trei, raportat la ieşire: IP3ies 

3 1 Pies  P3 . 2 2

Uneori, pentru determinarea punctului de intercepţie de ordinul trei se foloseşte şi noţiunea de factor de rejecţie de ordinul trei raportat la ieşire – RR3ies, (rejection ratio) definit ca raportul dintre puterea fundamentalei şi puterea produselor de intermodulaţie de ordinul trei, la ieşire (în dBm – diferenţa acestora, aşa cum se observă şi în graficul din fig. 9). Pornind de la ultima relaţie, putem scrie că: IP3ies  Pies 

1 1  Pies  P3   Pies  RR3ies . 2 2

În mod similar putem proceda pentru a determina puterea produselor de intermodulaţie de ordinul doi, pornind de la relaţia:

y − Q2 =2 , x − (Q2 − G ) unde x  Pi - reprezintă puterea uneia din fundamentalele semnalului de intrare în dBm, iar y - reprezintă puterea produselor de intermodulaţie de ordinul doi corespunzătoare, tot în dBm, la ieşirea amplificatorului - P2 . Astfel, puterea produselor de intermodulaţie de ordinul doi, când cunoaştem parametrul IP2ies va fi:

P2  2 Pies  IP2ies . Dacă putem măsura puterea uneia din fundamentalele semnalului şi puterea produselor de intermodulaţie de ordinul doi sau factorul de rejecţie RR2ies corespunzător, atunci punctul de intercepţie de ordinul doi, raportat la poarta de ieşire a ARFP va fi:

IP2ies  2 Pies  P2  Pies  RR2ies