СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 79 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 ки, которое обеспечивает требуемые характеристики. К сожалению, эта методика не очень хорошо работает при проектировании сложных клю- чевых режимов, которые применяют- ся в усилителях класса E. Характеристики УМ класса E зависят от очень точного согласования импе- данса на различных частотах, а так- же от соотношения уровня входно- го сигнала и напряжения смещения, которое определяет скважность. Что- бы найти столь специфическую комби- нацию простым подбором (например, путём моделирования нагрузки), нуж- но обработать огромные объёмы дан- ных. И даже если удастся это сделать, нет гарантии, что модель будет адек- ватна для всех комбинаций напряже- ния питания и импеданса. Существу- ют комбинации параметров, при кото- рых разработанную модель применять нельзя, поскольку устройство может быть нестабильно, или саму модель не удастся получить. Поэтому при исполь- зовании традиционного подхода раз- работчики должны обладать высокой квалификацией и профессиональ- ным опытом и чётко интерпретиро- вать полученные в процессе модели- рования данные. По этой причине для начального проектирования усилите- лей класса E желательно использовать более скрупулёзный подход. В чём он должен заключаться? Н ОВЫЙ ПОДХОД НА ОСНОВЕ СИНТЕЗА : БОЛЕЕ ТОЧНЫЙ И НАДЁЖНЫЙ Как точно спроектировать усилитель класса E без традиционного модели- рования и ручной интерполяции гра- фиков нормализованных уравнений? Ответом является интерактивный, основанный на синтезе процесс про- ектирования, использующий основные принципы для получения очень точно- го прогнозирования параметров усили- теля по начальному набору уравнений и правил. Этот процесс позволяет разра- ботчикам усилителей быстрее достичь начальных условий проектирования. На первом этапе выполняется син- тез схемы полностью на основе урав- нений переходных процессов. На вто- ром – схема проверяется с применени- ем идеализированных компонентов схемы УМ. На третьем этапе параметры тока и напряжения во временно ′ й обла- сти ставятся в соответствие импедансу гармоник в заданной частотной обла- сти. В завершение используются сред- ства проектирования для оптимиза- ции схемного решения в соответствии с требуемыми значениями импеданса для нескольких первых гармоник. Ключевым аспектом этого подхо- да является выбор инструмента син- теза (см. рис. 3). В идеале этот инстру- мент должен иметь утилиту, позволяю- щую интерактивно решать уравнения, описывающие работу УМ класса E, что- бы синтез схемы выполнялся в режиме реального времени на основе исходных данных для проектирования. С помо- щью такой утилиты разработчик может ввести параметры устройства (напри- мер, максимальное напряжение и ток, напряжение насыщения и внутренние паразитные ёмкости) и указать техни- ческие характеристики (например, частоту, напряжение питания, выход- ную мощность и угол проводимости). Затем инструмент синтеза использует эту информацию для синтеза идеаль- ной схемы класса E. Например, САПР Keysight ADS [1] позволяет синтезиро- вать электрическую схему, отображая такие основные параметры, как фор- ма тока и напряжения на транзисторе, включая их анализ с точки зрения обла- сти безопасной работы ключа. Такой инструмент синтеза позволя- ет строить зависимости тока от угла проводимости и указывать маркера- ми допустимый диапазон, в котором усилитель может работать надёжно. Углы проводимости между маркера- ми допустимы, а за пределами марке- ров – нет. Если работа при определён- ном угле проводимости невозможна, разработчику выводится сообщение с предупреждением. Такая гибкость проектирования жизненно важна для обеспечения надёжной работы устрой- ства при одновременном соблюдении заданных характеристик УМ класса E. Н ОВЫЙ ПОДХОД В ДЕЙСТВИИ Чтобы лучше понять, как именно работает этот четырёхэтапный про- цесс, рассмотрим пример проекти- рования УМ класса Е на основе GaN СВЧ-транзистора от компании Cree, используя, в том числе, САПР Keysight ADS. СВЧ-транзистор имеет напря- жение пробоя 120 В, собственную ёмкость 2,1 пФ, максимальное же зна- чение переменного и постоянного тока составляет 4,5 и 3 А соответственно. Кроме того, модель транзистора, пре- доставляемая производителем, наи- более полно описывает физическое Рис. 3. Рабочая область утилиты синтеза УМ класса E в САПР Keysight ADS © СТА-ПРЕСС