Что полезно знать об усилителях для EMC-приложений


PDF версия

В статье представлены основные технические характеристики усилителей для ЕМС-приложений, даны рекомендации по их выбору.

Линейность усилителя

При увеличении сигнала, подаваемого на вход любой линейной системы, наступает момент, при котором нарушается линейное соотношение между входом и выходом системы. Это значит, что система доходит до уровня компрессии или начала зоны насыщения. Пример такого поведения усилителя Milmega AS0822-200 показан на рисунке 1, где представлена зависимость выходной мощности от входной при подаче на  вход усилителя непрерывного (CW) и импульсного сигналов с фиксированной частотой 1900 МГц. В данном примере усилитель сохраняет свою линейность до момента, когда мощность входного сигнала становится равной –3 дБм  (дБм — логарифмическая единица измерения мощности сигнала по отношению к 1 милливатту (1 мВт = 0 дБм, 0,001 мВт = –30 дБм). Это означает, что до того как мощность входного сигнала стала равной –3 дБм, между входной и выходной мощностью усилителя наблюдался постоянный коэффициент пропорциональности, который назвали коэффициентом усиления.

 

Рис. 1. Входная и выходная мощности усилителя Milmega AS0822-200 при фиксированной частоте 1900 МГц

Из рисунка 1 видно, что при входной мощности –20 дБм выходная мощность составляет 35 дБм, следовательно, коэффициент усиления усилителя равен 35 – (–20) = 55 дБ. Таким образом, до момента начала насыщения коэффициент усиления усилителя был постоянным и равным 55 дБ. Далее соотношение линейности между входным и выходным сигналами усилителя нарушается, и усилитель нельзя более называть линейным. Во всем мире принят показатель качества, определяющий зону линейности усилителя, называемый точкой децибельной компрессии (Р1дБ). В рассматриваемом примере эта точка определяется значением (Pout – Pin) = 54 дБ, что соответствует выходной мощности, приблизительно равной 53 дБм.
Выходная мощность усилителя не может увеличиваться бесконечно. Когда при существенном изменении входной мощности выходная мощность начинает незначительно меняться, говорят, что усилитель вошел в насыщение, и в соответствии с определением, его выходной сигнал перестал быть пропорциональным входному. Эта точка в справочных данных часто называется точкой насыщения Psat или P3дБ. Из рисунка 1 видно, что для данного усилителя это произошло при выходной мощности, приблизительно равной 54,5 дБм.
Как правило, мощность насыщения важна при рассмотрении требований к импульсным системам, например, при тестировании сигналов автомобилей, в то время как мощность в линейном режиме важна при рассмотрении сигналов с амплитудной модуляцией (АМ), используемых при EMC-тестировании (ЕМС — электромагнитная совместимость) коммерческих систем.
При разработке собственных приложений в справочных данных на усилители нужно в первую очередь искать ответы на следующие вопросы:
– соответствует ли частотный диапазон усилителя частотным характеристикам вашей системы;
– соответствует ли режиму насыщения (Psat или P3дБ) или линейному режиму работы (P1дБ) приведенная в справочных данных мощность;
– какая мощность (линейная или насыщения) лучше подходит для оценки конкретного приложения?

Концепция допустимой мощности, основанная на искажениях, вносимых гармониками

Все силовые транзисторы, используемые при проектировании ВЧ- и СВЧ-усилителей, являются сильно нели­нейными устройствами. Нелинейность этих элементов является причиной искажений при переходе усилителя в режим насыщения. В режиме насыщения синусоидальный сигнал на входе усилителя преобразуется в сигнал прямоугольной формы на его выходе, что ведет к росту числа гармоник выходного сигнала (это следует из математического анализа квадратного и близкого к квадратному сигналов). Обычно интерес представляют гармоники с частотой, в два или три раза превышающей основную частоту, т.е. вторая и третья гармоники.
Из рисунка 2 видно, как идет увеличение числа гармоник с ростом вход­ной мощности. На графике показан уровень второй гармоники при работе усилителя Milmega с точкой децибельной компрессии выходной мощности 200 Вт, в частотном диапазоне 800…2200 МГц при разных уровнях входного сигнала. Уровень входной мощности 5 дБм соответствует работе усилителя в полном режиме насыщения. Уровень входной мощности –10 дБм соответствует ли­нейной работе усилителя. При внимательном рассмотрении данных на основной частоте 1000 МГц можно увидеть, что при переходе усилителя в режим насыщения, вторая гармоника увеличилась на 20 дБ. Отсюда следует, что в режиме насыщения мощность гармоник увеличивается в 100 раз по сравнению с линейной рабочей зоной. Проверьте, что производитель усилителя указал, при каких условиях был измерен уровень гармоник, и убедитесь, что этот уровень соответствует максимальной мощности, при которой вы собираетесь использовать усилитель.

 

Рис. 2. Зависимость уровня второй гармоники от уровня входного сигнала

Если перед проведением ВЧ-тес­ти­рования не выделить зоны основной частоты и частот, на которых влиянием энергии гармоник можно пренебречь, наличие гармоник приведет к ухудшению точности полученных калибровочных значений. Необходимо убедиться, что максимальный уровень гармоник, приведенный производителем, относится к мощности, которая должна быть больше или равна мощности, используемой в вашем приложении. Кроме того нужно убедиться, что гармоники не оказывают неблагоприятного влияния на работу системы.
В справочных данных на усилитель при разработке собственной системы также следует найти ответы на во­просы:
объявлен ли в документации уровень гармоник? Если нет, то почему;
указано ли в справочных данных, при какой мощности был измерен уровень гармоник;
приведенная в документации мощность больше или равна мощности, требуемой в разрабатываемом приложении;
можно ли использовать усилитель при высоком уровне гармоник?

Влияние паразитных сигналов

К паразитным сигналам относятся сигналы, вносимые усилителем, никак не связанные с полезными сигналами, т.е. они не являются ни гармониками, ни IM-сигналами. Их появление может быть вызвано низким уровнем стабильности усилителя (следствие плохой разработки) или они могут возникнуть из-за внешних источников, например, из-за источника питания, радиационных помех и даже систем местного освещения. Мощность паразитных сигналов определяется обычно относительно уровня основного сигнала, и уровни –70 дБн являются типовыми значениями при хорошей схеме усилителя.
Основными источниками паразитных сигналов в хорошо спроектированных усилителях являются импульсные источники питания, генерирующие помехи на рабочей частоте, равной, как правило, нескольким сотням кГц. На рисунке 3 показан пример источника питания с боковыми полосами частот.
Участок между максимумом паразитной мощности и уровнем мощности P1дБ определяет полезный диапазон, в пределах которого разработчики могут быть уверены в том, что тестируемое устройство будет усиливать только полезный сигнал, и будет защищено от воздействия паразитных сигналов и высокочастотных гармоник. Чтобы определить влияние источников искажений, которые могут находиться внутри усилителя, необходимо ответить на вопрос: не мешает ли уровень паразитных сигналов, определенный для данного усилителя, его адекватной работе в вашем приложении во всем рабочем диапазоне мощностей?

 

Рис. 3. Пример источника питания с боковыми полосами частот

 

Использование спецификаторов: расчетного и номинального

После определения мощности через понятия Psat и P1дБ и выяснения допустимого уровня гармонических искажений, необходимо разобраться со спецификаторами, часто сопутствующими параметрам, приводимым в справочных данных на усилители. Их несколько, но интерес представляют наиболее часто используемые, к которым относятся расчетный, номинальный и минимально гарантированный.
Расчетный спецификатор не имеет особого смысла с точки зрения пользователя, поскольку он определяется производителем, и не существует никаких гарантий его соблюдения. Поэтому при принятии решения о покупке изделия такие параметры рассматривать не стоит.
Номинальный или типовой спецификатор используется гораздо шире. Как правило, он соответствует наиболее часто наблюдаемым значениям параметров с учетом множества естественных флуктуаций. Флуктуации параметров могут быть описаны с помощью распределения отклонений результатов измерений от среднего (номинального) значения. На рисунке 4 показано наиболее часто встречающееся распределение стандартных (среднеквадратичных) отклонений, часто называемое кривой нормального распределения.

 

Рис. 4. Кривая нормального распределения

Вертикальная ось кривой нормального распределения масштабируется пропорционально количеству элементов в выборке, поэтому пользователь имеет возможность оценить интегральные значения параметров в определенном диапазоне или сумме диапазонов. Горизонтальная ось разделена на шесть равных участков, соответствующих величине стандартного отклонения, центрированных относительно среднего или номинального значений. Получается три положительных и три отрицательных интервала отклонений от номинального значения, где у кривой наблюдается максимум.
Из кривой нормального распределения видно, что в ходе стандартного производственного процесса параметры 50% выходных изделий будут отклоняться от номинального значения в положительную сторону, а других 50% — в отрицательную. Чем меньше величина стандартного отклонения, тем лучше контролируется производственный процесс. Для усилителя стандартные отклонения, откладываемые по горизонтальной оси, могут измеряться в Вт. Для примера предположим, что в ходе производственного процесса изготавливаются усилители с номинальной мощностью 200 Вт, а размер стандартного отклонения при тестировании этих усилителей оказался равным 10 Вт.
Из этих цифр можно сделать следующие выводы:
1. Минимальное значение (или минимальная мощность усилителя), полученное в ходе такого производственного процесса, составляет 200 Вт – (3·10) = 170 Вт.
2. Максимальное значение (или максимальная мощность усилителя), полученное в ходе такого производственного процесса, составляет 200 Вт + (3·10) = = 230 Вт.
Покупатель из этих цифр может понять, что мощность 34% изготовленных усилителей будет составлять 190…200 Вт (в пределах одного стандартного отклонения от номинального значения). Отсюда очевидно, что приобретение усилителей, исходя из их номинальных значений без учета технологических отклонений — достаточно рискованная стратегия.  Так, из нашего примера следует, что если покупателю требуется 200-Вт усилитель, он с высокой вероятностью может приобрести усилитель из указанной партии с номинальным значением 200 Вт, мощность которого окажется 170 Вт (минимальное технологическое значение). При этом продавец будет прав, а вот у покупателя будут проблемы.
Из рисунка 4 видно, что реальный диапазон значений параметров всегда ниже приводимого номинального значения, и это необходимо учитывать при покупке усилителей. При покупке усилителей в соответствии с номинальными значениями важных для вас параметров, вы можете быть разочарованы, не получив ожидаемых характеристик. Чтобы не испытать разочарования при выборе усилителей, нужно принимать во внимание не номинальные, а минимально гарантированные значения (см. рис. 5). Поступая так, вы можете быть уверены, что выбранный усилитель будет отвечать всем требованиям вашей системы.

 

Рис. 5. Выбор минимального гарантированного значения

Хороший совет — не делать больших закупок, основываясь на номинальных значениях. Чтобы снизить риск неправильной покупки, ответьте прежде на вопросы:
– какой был размер выборки при получении номинального значения мощности? Если размер выборки больше 1000, то это надежное определение, а если менее 10, это — статистически неадекватные результаты;
– какова величина стандартного откло­нения для данного технологи­че­ского процесса;
– какой будет вероятность разочарования при покупке усилителя, выбранного по номинальным значениям мощности при указанном стандартном отклонении?

Список важных вопросов

Перед выбором оборудования для системы, использовать которую предполагается свыше 5 лет, нужно внимательно ознакомиться с технической документацией на усилители, выпускаемыми всеми производителями. Далее приведен список вопросов, на которые вы должны ответить либо сами, либо с помощью производителя, изделия которого собираетесь приобрести.
В пунктах с 1 по 6 представлены технические вопросы, расположенные в соответствии с их приоритетом. Вопросы с 7 по 9 помогают оценить риск покупки. Ответы на эти вопросы важны для оценки того, понимает ли производитель ваши риски при выборе его изделий по номинальным значениям.
1. Соответствует ли частотный диапазон усилителя частотным характеристикам вашей системы?
2. Соответствует ли режиму насыщения (Psat или P3дБ) или линейному режиму работы (P1дБ) приведенная в справочных данных мощность?
3. Какая мощность (линейная или насыщения) важна для разрабатываемой системы?
4. При какой мощности определены гармонические искажения, и как она соотносится с рабочей мощностью системы?
5. Не мешает ли определенный для данного усилителя уровень па­ра­зитных сигналов обеспечивать адек­ватный диапазон рабочих мощностей?
6. Какие данные приводит производитель по параметрам, важным для вашей системы: минимально гарантированные или номинальные?
7. Осознаете ли вы риск выбора усилителя по номинальным параметрам?
8.  Может ли производитель оценить степень вашего разочарования, если вы выберете усилитель по номинальным параметрам?

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *