Verstärker, HF, Hochleistung

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Stichworte: SSA, Klasse,


Der einfachste und verbreitetste Verstärkertyp ist der transconductance amplifier. Das aktive Element in diesem Verstärkertyp arbeitet als spannungsgesteuerte Stromquelle, wobei der Ausgangsstrom in weiten Bereichen nahezu unabhängig von der Ausgangsspannung ist.

Ein typischer transconductance amplifier funktioniert wie in nachstehender Abbildung dargestellt. das aktive Element - hier ein FET - wird als spannungsgesteuerte Stromquelle betrieben, die einen Strom durch das Netzwerk aus Harmonischenfilter und Lastwiderstand treibt. Das Harmonischenfilter ist so dimensioniert, dass die Impedanz für die Betriebsfrequenz sehr hoch und für alle anderen Frequenzen sehr niedrig ist. Im einfachsten Fall besteht das Harmonischenfilter aus der Parallelschaltung einer Kapazität und einer Induktivität und wirkt als Parallelschwingkreis. Das Harmonischenfilter bewirkt, dass die Spannung über dem aktiven Element - \(U_{DS} \) beim FET in der Abbildung - für beliebige Drain-Ströme nahezu sinusförmig ist.


Simplest rf amp.PNG


Unterscheidung der Klassen A, AB, B, C

Quelle: "The Class E/F Family of Harmonic-Tuned Switching Power Amplifiers", Thesis by Scott Kee, CIT, 2002, Chapt. 2.4 "Efficiency of Common Amplifier Classes"

Man kann die Effizienz eines Transkonduktanzverstärkers erhöhen, indem man Kompromisse bei der Sinusförmigigkeit Stromwellenform macht. Bei Schmalbandverstärkern ist das problemlos möglich, da die entstehenden Oberwellen aus dem Ausgangssignal herausgefiltert werden. Gewöhnlich reduziert man den Bias, so dass das der Ausgangsstrom nicht über volle \( 2 \pi \) dem sinusförmigen Eingangssignal folgen kann. Den Winkelbereich des sinusförmigen Eingangssignales, der im Ausgang Stromfluss erzeugt, nennt man Stromflusswinkel \( \Theta \). Je kleiner der Stromflusswinkel, desto höher der theoretisch erreichbare Wirkungsgrad des Verstärkers. Bei einem Klasse-A-Verstärker beträgt der Stromflusswinkel \( \Theta= 2\pi \) (360°). Dieser Verstärkertyp weist den niedrigsten Wirkungsgrad auf. Er beträgt bei Vollaussteuerung theoretisch maximal 50%. Verkleinert man den Stromflusswinkel, dann steigt der Wirkungsgrad. Klasse-AB-Verstärker können so einen theoretischen Wirkungsgrad deutlich über 70% erreichen. Theoretischer Wirkungsgrad bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Kniespannung \( U_{DS_{sat}}=0\) ist.

Beim Klasse-B-Verstärker beträgt der Stromflusswinkel per Definition \( \Theta= \pi \) (180°) und der theoretische Wirkungsgrad \( \eta_D=78,5 \)%. Ist der Stromflusswinkel \( \Theta< \pi \) dann spricht man von einem Klasse-C-Verstärker. Geht der Stromflusswinkel gegen 0, dann geht der Wirkungsgrad gegen 100% - allerdings geht dann auch die erreichbare Ausgangsleistung gegen 0, wie im nachstehenden Diagramm zu sehen.

Die maximale Ausgangsleistung bei gegebenen Parametern \( U_{DS_{br}}\), \( I_{D_{max}}\) und \( U_{DS_{sat}}=0,05\cdot U_{DS_{br}}\) wird im Klasse-AB-Betrieb bei dem Stromflusswinkel \( \Theta= 1,36 \pi \) erreicht. Der Wirkungsgrad beträgt dann \( \eta_D=58,8 \)%.


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Das Diagram zeigt Ausgangsleistung \( P_{out} \) (blau) und Drain-Wirkungsgrad \( \eta_D \) (schwarz) eines Verstärkers gemäß voranstehender Abbildung in Abhängigkeit vom Stromflusswinkel. Bei den durchgezogenen Kurven beträgt die Kniespannung \( U_{DS_{sat}}\) 5% der Durchbruchspannung \( U_{DS_{br}}\). Bei den gestrichelten Kurven ist die Kniespannung \( U_{DS_{sat}}=0\)


Der Drain-Wirkungsgrad \( \eta_D \) in Abhängigkeit vom Stromflusswinkel \( \Theta \) beträgt: \[ \eta_D= \frac{1}{2} \left( \frac{1-U_{DS_{sat}}/U_{DS_{br}}}{1+U_{DS_{sat}}/U_{DS_{br}}} \right) \left( \frac{\Theta-\sin\Theta}{2\sin{(\Theta/2)}-\Theta \cos{(\Theta/2)}} \right) \]


Die Ausgangsleistung \( P_{out} \) in Abhängigkeit vom Stromflusswinkel \( \Theta \) beträgt: \[ P_{out}= \frac{1}{8\pi} \left( 1-\frac{U_{DS_{sat}}} {U_{DS_{br}}} \right) \cdot U_{DS_{br}} \cdot I_{D_{max}} \left( \frac{\Theta-\sin\Theta}{1-\cos{(\Theta/2)}} \right) \]


Wie gezeigt, lässt sich der Wirkungsgrad eines Verstärkers erhöhen, wenn man den Stromflusswinkel reduziert und dadurch den Stromfluss \( I_{D}\) in den Bereichen kleiner Spannung \( U_{DS}\) konzentriert. Leider bewirkt diese Konzentration auch, dass die Ausgangsleistung sinkt, wenn man nicht gleichzeitig den Spitzenstrom erhöht. Bemerkenswert ist, dass das Maximum der Ausgangsleistung nicht im Klasse-A-Betrieb, sondern im Klasse-AB-Betrieb bei einem Stromflusswinkel von \( \Theta= 1,36 \pi \) erreicht wird. Eine anschauliche Erklärung wäre wünschenswert, ist aber derzeit nicht bekannt.


Klasse A

Klasse A, \( \Theta=2 \pi \)

Ein Klasse-A-Verstärker ist so vorgespannt, dass dauerhaft ein Ruhestrom durch das aktive Element fließt. Der Ruhestrom ist dabei so hoch, dass das aktive Element den Arbeitsbereich einer spannungsgesteuerten Stromquelle nicht verlässt.

  • Stromflusswinkel: 360° bzw. \( 2 \pi \)
  • Theoretisch maximaler Wirkungsgrad: 50%

Klasse AB

Klasse AB, \( \pi<\Theta<2 \pi \)

Klasse-AB-Verstärker sind ein Kompromiss zwischen brauchbarem Wirkungsgrad bei noch hinreichender Linearität. Solche Verstärker werden oft mit einem Entzerrungsnetzwerk versehen, um höheren Linearitätsanforderungen zu genügen.

  • Stromflusswinkel:_\( 360°< \Theta < 180° \) bzw. \( 2 \pi <\Theta < \pi \)
  • Maximale Ausgangsleistung bei einem Stromflusswinkel von \( 245°\) bzw. \( 1,36 \pi \)
  • Theoretischer Wirkungsgrad bis zu 65% bei \( \Theta=1,36\pi \)

Klasse B

Klasse B, \( \Theta=\pi \)
  • Stromflusswinkel: 180° bzw. \( \pi \)
  • Theoretisch maximaler Wirkungsgrad: 78%

Klasse C

Klasse C, \( \Theta < \pi \)
  • Stromflusswinkel: <180° bzw. \( <\pi \)
  • Theoretisch maximaler Wirkungsgrad: >78%

Doherty-Verstärker

Der Doherty-Verstärker ist derzeit der effektivste Ansatz zur Effizienzsteigerung bei Hochleistungs-Rundfunksendern. Entwickelt wurde die Technik bereits in den 1930er Jahren von William H. Doherty. Realisiert wurde sie bei Hochleistungs-Rundfunksendern jedoch erst vor kurzem. Die Doherty-Technologie ist mittlerweile in mobilen Basisstationen weit verbreitet und hat sich als robust und zuverlässig erwiesen. Die Grundidee ist, die Verstärkung von mittlerer Leistung und Spitzenleistung zu trennen und jeweils auf einen separaten Haup- und einen Spitzenverstärker zu verteilen. Dadurch ist ein um 10% bis 15% höherer Wirkungsgrad als bei Klasse-AB-Verstärkern möglich.

Unterscheidung der Klassen D, D-1, E, F

Quelle: "The Class E/F Family of Harmonic-Tuned Switching Power Amplifiers", Thesis by Scott Kee, CIT, 2002, Chapt. 3.3.4 "Class-D Amplifiers", Chapt. 3.3.5 "Class-E Amplifiers"

Klasse D

Klasse D

Der Klasse-D-Verstärker enthält zwei Schaltelemente die in Serie zwischen Versorgungsspannung und Masse liegen. Die Schaltelemente werden im Gegentakt angesteuert, so dass an ihrem Verbindungspunkt eine rechteckförmige Spannung \( u_S \) ansteht. Die 1. Harmonische dieser Rechteckspannung ist Nutzsignal zum Treiben der Last. Die unerwünschten höheren Harmonischen werden durch ein Filter von der Last abgehalten. Der Strom \( i_{Last} \) durch die Last ist somit sinusförmig. Daraus resultiert, dass der Strom \( i_1,i_2 \) durch die im Gegentakt angesteuerten Schaltelemente jeweils einer Sinus-Halbwelle entspricht. Aufgrund endlicher Schaltzeiten und parasitärerer Kapazitäten realer Transistorschaltelemente sind Klasse-D-Verstärker nur im unteren HF-Frequenzbereich bis vielleicht 10 MHz realisierbar.

Klasse D-1

Klasse D-1

Ein Klasse-D-1-Verstärker wird auch als invers Klasse-D oder Stromquellen-Klasse-D bezeichnet. Er zeichnet sich im Gegensatz zum Klasse-D-Verstärker durch einen rechteckförmigen Strom und eine halbsinusförmige Spannung aus.

Beim Klasse-D-Verstärker erreicht man durch das wechselseitige Schalten zweier Schaltelemente eine rechteckförmige Spannung. Beim Klasse-D-1-Verstärker erreicht man dagegen durch das wechselseitige Schalten zweier Schaltelemente einen rechteckförmigen Strom. Ein Parallelresonanzkreis parallel zur Last sorgt für eine sinusförmige Spannung über der Last und halbsinusförmige Spannungsverläufe über den Schaltelementen.

Der Klasse-D-1-Verstärker hat denselben Nachteil wie der Klasse-D-Verstärker, nämlich dass sich die störende parasitäre Transistor-Ausgangskapazität nicht vorteilhaft in das Ausgangsnetzwerk integrieren lässt.

Klasse-E

Klasse E

Das Bestreben den Klasse-D-Verstärker zu verbessern und zu vereinfachen führte zur Entwicklung des Klasse-E-Verstärkers. Im ersten Schritt reduzierte man die zwei aktiven Elemente wieder auf eins, um die schwierige Synchronisierung der Gegentaktansteuerung zu umgehen. Der wichtigste Schritt war aber das bewusste Einbinden der parasitären Ausgangskapazität des aktiven Elementes in das Schaltungsdesign. Das Klasse-E-Prinzip wird gegenwärtig als die beste bekannte Methode zur Realisierung von Mikrowellen-Schaltverstärkern betrachtet.

weiter auf S.56 unten

Klasse F

weiter Class-F Power Amplifiers with Maximally Flat Waveforms, Frederick H. Raab


Hocheffiziente PAs arbeiten im Schaltmodus. Der Drain-Strom ist somit nicht sinusförmig und enthält harmonische Frequenzanteile.

Der Wirkungsgrad von idealen PAs kann von 50% (Klasse-A bei Maximalleistung) bis nahe 100% gesteigert werden, wenn die erzeugten Harmonischen entsprechend behandelt werden. Im Gegensatz zum Klasse-C-Betrieb is zusätzlich die Steigerung der Ausgangsleistung möglich.

Klasse-F-Endstufen verwenden zur Steigerung des Wirkungsgrades Resonanzkreise für harmonische Frequenzen im Ausgangskreis, die geeignete Drain oder Kollektorwellenformen zu erzeugen. Der Ausgangskreis wird dabei so dimensioniert, dass der Drain für die harmonische Frequenzen entweder einen Kurzschluss oder einen Leerlauf "sieht". Die Technik wird harmonic peaking genannt.