Линейный усилитель — это электронная схема, выходной сигнал которой пропорционален входному, но способный передавать в нагрузку большую мощность . Этот термин обычно относится к типу усилителя мощности радиочастоты (РЧ) , некоторые из которых имеют выходную мощность, измеряемую в киловаттах , и используются в любительском радио . Другие типы линейных усилителей используются в аудио- и лабораторном оборудовании . Линейность относится к способности усилителя генерировать сигналы, которые являются точной копией входного сигнала. Линейный усилитель независимо реагирует на различные частотные составляющие и не создает гармонических или интермодуляционных искажений. Однако ни один усилитель не может обеспечить идеальную линейность, поскольку усилительные устройства — транзисторы или электронные лампы — подчиняются нелинейной передаточной функции и полагаются на схемотехнические методы для уменьшения этих эффектов. Существует ряд классов усилителей , обеспечивающих различные компромиссы между стоимостью реализации, эффективностью и точностью сигнала.
Линейность относится к способности усилителя генерировать сигналы, которые являются точной копией входного сигнала, как правило, при повышенных уровнях мощности. Импеданс нагрузки, напряжение питания, входной базовый ток и выходная мощность могут влиять на эффективность усилителя. [1]
Усилители класса А могут быть спроектированы так, чтобы иметь хорошую линейность как в несимметричной , так и в двухтактной топологиях. Усилители классов АВ1, АВ2 и В могут быть линейными только при использовании настроенной емкостной схемы или в двухтактной топологии , в которой два активных элемента (лампы, транзисторы) используются для усиления положительной и отрицательной частей ВЧ-цикла. соответственно. Усилители класса C не являются линейными ни в какой топологии.
Существует ряд классов усилителей , обеспечивающих различные компромиссы между стоимостью реализации, эффективностью и точностью сигнала. Их использование в радиочастотных приложениях кратко перечислено ниже:
Хотя усилители мощности (УМ) класса А являются лучшими с точки зрения линейности, их эффективность довольно низкая по сравнению с усилителями других классов, таких как усилители «AB», «C» и Догерти . Однако более высокая эффективность приводит к более высокой нелинейности, и выходной сигнал усилителя мощности будет искажаться, часто до такой степени, что не соответствует требованиям к производительности системы. Поэтому усилители мощности класса AB или другие варианты используются с какой-либо подходящей формой схем линеаризации, такой как обратная связь , прямая связь или аналоговое или цифровое предыскажение (DPD). В системах усилителей мощности DPD передаточные характеристики усилителя моделируются путем выборки выходного сигнала усилителя мощности, а обратные характеристики рассчитываются в процессоре DSP. Цифровой групповой сигнал умножается на обратную нелинейную передаточную характеристику PA, преобразуется с повышением частоты в RF-частоты и подается на вход PA. При тщательном проектировании реакции усилителя мощности двигатели DPD могут корректировать искажения выходного сигнала усилителя и достигать более высокой эффективности.
Благодаря достижениям в области технологий цифровой обработки сигналов цифровое предыскажение (DPD) теперь широко используется в подсистемах усилителей мощности RF . Чтобы DPD функционировал должным образом, характеристики усилителя мощности должны быть оптимальными, а схемотехника должна быть доступна для оптимизации характеристик усилителя мощности. [2]
В некоторых коммерческих линейных усилителях мощностью от 1 до 2 киловатт, используемых в любительской радиосвязи, до сих пор используются электронные лампы (лампы) и они могут обеспечивать усиление радиочастотной мощности в 10–20 раз (от 10 до 13 дБ). Например, передатчик, подавающий входную мощность 100 Вт, будет усилен до выходной мощности антенны 2000 Вт (2 кВт). Твердотельные линейные усилители более распространены в диапазоне 1000 Вт и могут работать при мощности всего 5 Вт. [3] Современные силовые устройства, использующие технологию LDMOS , позволяют создавать более эффективные и экономичные линейные усилители мощности RF для радиолюбительского сообщества. [4]
Большие линейные усилители на электронных лампах обычно используют одну или несколько электронных ламп, питаемых от источника питания очень высокого напряжения, для преобразования большого количества электрической энергии в радиочастотную энергию. Линейные усилители должны работать со смещением класса A или класса AB , что делает их относительно неэффективными. Хотя класс C имеет гораздо более высокую эффективность, усилитель класса C не является линейным и подходит только для усиления сигналов с постоянной огибающей . К таким сигналам относятся FM , FSK , MFSK и CW ( код Морзе ). [5] [6]
Выходные каскады профессиональных передатчиков AM-радиовещания мощностью до 50 кВт должны быть линейными и в настоящее время обычно конструируются с использованием полупроводниковых технологий. Большие электронные лампы до сих пор используются в международных передатчиках длинного, среднего и коротковолнового вещания мощностью от 500 кВт до 2 МВт.