Линейный усилитель — это электронная схема, выход которой пропорционален ее входу, но способна подавать большую мощность в нагрузку . 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 вырабатывать сигналы, которые являются точными копиями входного сигнала. Линейный усилитель реагирует на различные частотные компоненты независимо и, как правило, не генерирует гармонических искажений или интермодуляционных искажений. Однако ни один усилитель не может обеспечить идеальную линейность, поскольку усилительные устройства — транзисторы или вакуумные лампы — следуют 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 производить сигналы, которые являются точными копиями входных сигналов, как правило, при повышенных уровнях мощности. Сопротивление нагрузки, напряжение питания, входной базовый ток и выходная мощность могут влиять на эффективность усилителя. [1]
Усилители класса A могут быть спроектированы так, чтобы иметь хорошую линейность как в однотактной , так и в двухтактной топологии. Усилители классов AB1, AB2 и B могут быть линейными только при использовании настроенного контура или в двухтактной топологии, в которой два активных элемента (лампы, транзисторы) используются для усиления положительной и отрицательной частей цикла RF соответственно. Усилители класса C не являются линейными ни в одной топологии.
Существует ряд классов усилителей, обеспечивающих различные компромиссы между стоимостью реализации, эффективностью и точностью сигнала. Их использование в приложениях RF кратко перечислено ниже:
Хотя усилители мощности класса A (PA) являются лучшими с точки зрения линейности, их эффективность довольно низкая по сравнению с другими классами усиления, такими как «AB», «C» и усилители Догерти . Однако более высокая эффективность приводит к более высокой нелинейности, и выход PA будет искажен, часто в той степени, которая не соответствует требованиям к производительности системы. Поэтому усилители мощности класса AB или другие вариации используются с некоторой подходящей формой схем линеаризации, таких как обратная связь , прямая связь или аналоговое или цифровое предыскажение (DPD). В системах усилителей мощности DPD передаточные характеристики усилителя моделируются путем выборки выходного сигнала PA, а обратные характеристики рассчитываются в процессоре DSP. Цифровой сигнал основной полосы умножается на обратную величину нелинейных передаточных характеристик PA, преобразуется с повышением частоты в радиочастоты и подается на вход PA. При тщательном проектировании отклика PA двигатели DPD могут корректировать выходное искажение PA и достигать более высокой эффективности.
С развитием технологий цифровой обработки сигналов цифровое предыскажение (DPD) теперь широко используется для подсистем усилителей мощности ВЧ . Для того чтобы DPD функционировало должным образом, характеристики усилителя мощности должны быть оптимальными, и доступны схемные методы для оптимизации производительности PA. [2]
Некоторые серийно выпускаемые линейные усилители мощностью от одного до двух киловатт, используемые в любительском радио, по-прежнему используют вакуумные лампы (лампы) и могут обеспечить усиление мощности ВЧ в 10–20 раз (от 10 до 13 дБ). Например, передатчик, управляющий входом мощностью 100 Вт, будет усилен до 2000 Вт (2 кВт) на выходе антенны. Твердотельные линейные усилители более распространены в диапазоне 1000 Вт и могут управляться всего 5 Вт. [3] Современные силовые устройства, использующие технологию LDMOS, позволяют создавать более эффективные и экономичные линейные усилители мощности ВЧ для сообщества радиолюбителей. [4]
Большие линейные усилители на вакуумных лампах обычно используют одну или несколько вакуумных ламп, питаемых очень высоким напряжением, для преобразования большого количества электроэнергии в радиочастотную энергию. Линейные усилители должны работать с классом смещения A или 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 AM-радиопередатчиков мощностью до 50 кВт должны быть линейными и в настоящее время обычно строятся с использованием твердотельных технологий. Большие вакуумные лампы по-прежнему используются для международных длинноволновых, средневолновых и коротковолновых вещательных передатчиков мощностью от 500 кВт до 2 МВт.