Balansētais pastiprinātājs V1
header yl3akb

 navigation       CONTENTS
 		L diapazona balansētais pastiprinātājs ar MGA-30889 un QCN-19

2.06.2015:

Šis ļoti noderīgais slēgums sastāv no diviem identiskiem pastiprinātājiem un kvadratūras dalītājiem/summatoriem, jeb 90 grādu/kvadratūras hibrīdiem (U3 un U4 1. attēlā).

1. att. Balansētā pastiprinātāja blokshēma.

Lai labāk saprastu, ar ko tad šāds pastiprinātājs izceļas, jāsaprot kas ir kvadratūras hibrīds. Vienkāršiem vārdiem, tā ir pasīva ierīce, kas darbojas tā pat kā parasts jaudas summators/dalītājs, tikai sasummējot/izdalot, vienam no signāliem fāze attiecībā pret otru signālu tiek nobīdīta par 90 grādiem. Ja ņem par piemēru U3 portu numerāciju (U3 šajā gadījumā darbojas kā dalītājs), pārvades koeficienta S31 kvadrātiskā amplitūda (jauda) ir -3 dB un fāze 90 grādi. S41 kv. amplitūda arī ir -3 dB, bet fāze ir 0 grādi. Ar pirkstu izsekojot signālam un fāzu nobīdēm redzams, ka summatora U4 4 porta izejā abu signālu fāzes sakrīt un ir skaidrs, ka ideālā gadījumā kopējais pastiprinājums ir vienāds ar atsevišķa pastiprinātāja pastiprinājumu. Tajā pašā laikā katram pastiprinātājam ieejā ir par 3 dB mazāka jauda, kas nozīmē, ka maksimālā pieļaujamā jauda ir par 3 dB lielāka. P1dB un IP3 attiecīgi ir par 3 dB lielāki – divas reizes lielāka maksimāla izejas jauda un par 6 dB mazāka trešās kārtas intermodulāciju komponenšu (IM3) jauda salīdzinot ar vienu pakāpi (IM3 jauda samazinās par 3 dB uz katru decibelu, tātad katra pastiprinātāja izejā IM3 ir par 9 dB mazāka, bet sasummējot ar otru hibrīdu, iegūstam 6 dB samazinājumu).

Kā jau var secināt, hibrīdi darbojas tā pat arī no otras puses. Ja abi pastiprinātāji ir identiski, tad atstarojumu amplitūdas un fāzes būs vienādas. Atkal izsekojot signāla fāzei U3 hibrīdā: S31, S13 fāze ir 90 grādi, tātad no U1 atstarotā signāla fāze 1. porta izejā ir 180 grādi. Savukārt no U2 atstarotā signāla fāze 1. porta izejā ir 0 grādi (S41 un S14 fāze ir 0 grādi) un atstarojumi dzēšas. Atstarojumu fāzes sakrīt 2. portā, kur tie tiek absorbēti 50 omu slodzes rezistorā. Tas pats notiek ar izejas atstarojumiem. Var secināt, ka teorētiski balansētā pastiprinātāja salāgotība ir ideāla, neatkarīgi no atsevišķu pastiprinātāju salāgotības. Interesanti, ka mēs pastiprinātāju vietā varam izmantot jebkādu ierīci, piemēram filtrus utt., jānodrošina tikai to, ka ierīces ir identiskas. Sanāk kaut kas līdzīgs izolatora/cirkulatora funkcionalitātei.

Šī īpašība ir izmantojama, piemēram, LNA salāgotības uzlabošanai, jo parasti minimālajam NF noskaņota pastiprinātāja ieejas salāgotība ir slikta. Protams, jāņem vērā zudumi hibrīdos (zudumi virs teorētiskajiem 3 dB). Ideālā gadījumā, kopējais NF sakrīt ar atsevišķu pastiprinātāju NF.

Protams, nekas nav par velti – mīnusi šim slēgumam ir nepieciešamība pēc diviem pastiprinātājiem un enerģijas patēriņš ir divas reizes lielāks.

Lai notestētu šādu pastiprinātāju darbībā, izmatoju divus MGA-30889 platjoslas MMIC un MiniCircuits QCN-19 kvadratūras hibrīdus. Hibrīdi ir optimizēti (svarīgs ir amplitūdas un fāzes balanss) darbam L diapazonā.

Pastiprinātāja principiālā shēma:

2. att. Balansētā pastiprinātāja principiālā shēma.

Salīdzinājumam, MGA-30889 pastiprinātājs tika izgatavots un notestēts arī atsevišķi. Sekojošā attēlā redzami S parametru mērījumi atsevišķam pastiprinātājam:


3. att. Atsevišķas MGA-30889 pakāpes S parametru mērījumu rezultāti.

Izgatavotais balansētā pastiprinātāja prototips:

4. att. Balansētais pastiprinātājs (shēma 2. attēlā).

Mērījumu rezultāti:

5. att. Balansētā pastiprinātāja mērījumu rezultāti.

Var ievērot ievērojamo salāgotības (S11/S22) uzlabojumu, salīdzinot ar atsevišķu pakāpi (3. att.). QCN-19 darbības frekvenču diapazons ir no 1100 līdz 1925 MHz un šajās frekvencēs salāgotība arī ir vislabākā. S21 iekritumu ap 2.8 GHz rada QCN-19, kas bija redzams arī simulācijās (MiniCircuits piedāvā arī hibrīda S parametru failu). QCN–19 zudumi ir ap 0.4 dB, kas arī atspoguļojas rezultātos – pastiprinājums S21 ir apmēram par 2x0.4 dB mazāks nekā atsevišķai pakāpei. Izmērītais pastiprinātāja paštrokšņu koeficients ir NF ~ 2.4 dB 1500 MHz frekvencē, kas ir apmēram par QCN-19 zudumu vērtību lielāks, nekā atsevišķam pastiprinātājam.

Var secināt, ka šis eksperiments ir izdevies un ir iegūts pastiprinātājs ar ļoti labu salāgotību un palielinātu linearitāti. P1dB/IP3 grafikus gan diemžēl pagaidām neuzņēmu, bet tur nevajadzētu būt brīnumiem. Iegūts pietiekami labs balanss, ņemot vērā to, ka tika izmantoti atsevišķi pastiprinātāja čipi. Vēl labākus rezultātus varētu iegūt, izmantojot  speciālus balansēto pastiprinātāju MMIC, ar diviem pastiprinātājiem uz kopēja kristāla, piemēram MiniCircuits MPGA105, ko varbūt kaut kad arī pamēģināšu.

Literatūra

 

 footer
 2020 MB