3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 1

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov

3.1. Zasičenje močnostnega ojačevalnika

Doseg radijske zveze omejuje na eni strani (toplotni) šum, nadrugi strani pa razpoložljiva moč oddajnika. Moč oddajnika sevedarazumemo kot povprečno visokofrekvenčno moč na antenskempriključku. Visokofrekvenčna moč je omejena ne samo z močjonapajalnega vira oddajnika (zmogljivost baterije, velikost sončnihcelic na satelitu oziroma cena energije nasploh?), pač pa tudi zizvedbo in izkoristkom močnostnega ojačevalnika v izhodni stopnjioddajnika ter z motnjami, ki jih povzročamo drugim uporabnikom(ponovna uporaba istega frekvenčnega pasu).

Izkoristek ojačevalnika je odvisen od izvedbe ojačevalnikakot tudi od vrste visokofrekvenčnega signala, ki ga ojačujemo.Povsem jasno bo izkoristek močnostnega ojačevalnika zelo dober zasignale, ki imajo razmeroma konstantno trenutno visokofrekvenčnomoč. Izkoristek močnostnih ojačevalnikov bo zelo slab za signale,ki imajo visoko vršno moč in nizko povprečno moč, saj moramo v temslučaju načrtovati ojačevalnik za vršno moč, večino časa pa tesposobnosti ojačevalnika ne izkoriščamo.

Končno bo izkoristek ojačevalnika zelo slab, če zahtevamozelo majhno popačenje signalov, ki jih ojačujemo. V tem slučajuojačevalnik pravzaprav zelo slabo izkoriščamo, saj za zmanjšanjepopačenja ojačevalnik krmilimo s šibkejšimi signali (powerbackoff) in je povprečna izhodna moč dosti manjša od tistega, karbi lahko proizvedel ojačevalnik.

Kaj se pravzaprav dogaja z ojačevalnikom in koliko izhodnemoči lahko ojačevalnik proizvede, ni prav enostavno določiti znekaj številskimi parametri. Različne izvedbe ojačevalnikov se priprekrmiljenju dokaj različno obnašajo, kot je to prikazano nasliki 3.1. Vhodna in izhodna moč sta na sliki 3.1 prikazani vlogaritemskem merilu, da lahko opazujemo obnašanje ojačevalnika vširokem razponu vhodnih moči.

Pri krmiljenju z majhnimi signali je delovanje ojačevalnikalinearno. V logaritemskem merilu za moči (decibeli) je odzivojačevalnika premica pod kotom 45O. Premica je odmaknjena odkoordinatnega izhodišča natančno za linearno ojačenje ojačevalnikaGlin v decibelih. Pri zelo majhnih močeh premica počasi ponikne vtoplotni šum ojačevalnika.

Pri krmiljenju z velikimi močmi prej ali slej dosežemo točko,ko ojačevalnik ni več sposoben proizvesti dovolj moči na izhodu.Krivulja moči se začne pri tem vihati navzdol. Najpreprostejšislučaj je enostavno zasičenje ojačevalnika, nad neko krmilno močjose izhodna moč skoraj ne spreminja več. Prevelika krmilna močlahko sicer tudi poškoduje resnični močnostni ojačevalnik.

Pri nekaterih izvedbah ojačevalnikov (naprimer laser) seizhodna moč še vedno povečuje z naraščanjem vhodne moči, zasičenjane dosežemo niti pri zelo visokih krmilnih močeh. Spet pridrugačnih izvedbah ojačevalnikov (mikrovalovne elektronke s

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 2

hitrostno modulacijo snopa) se delovanje ojačevalnika priprevelikih krmilnih močeh poruši: pri nadaljnjem naraščanju vhodnemoči se izhodna moč celo zmanjšuje.

Slika 3.1 – Zasičenje močnostnega ojačevalnika.

Moči zasičenja ojačevalnika torej ne moremo preprostodefinirati. Tudi če izhodna moč doseže konstantno vrednost privelikih krmilnih močeh, so te moči lahko previsoke za varno inzanesljivo delovanje oddajnika. Moč zasičenja ojačevalnika moramotorej definirati na drugačen način.

Na sliki 3.1 je razvidno, da začne krivulja moči v vsakemslučaju odstopati od premice. Moč zasičenja lahko torej definiramov točki, ko odstopanje med premico in resnično krivuljo dosežepredpisano vrednost. Najpogostejša izbira je točka z razliko 1dBmed obema krivuljama. 1dB je zadosti majhna vrednost, da je v tejtočki popačenje signalov znosno. Hkrati točka zmanjšanja ojačenjaza 1dB (približno 20% moči) omogoča povsem varno prekrmiljenjebrez možnih poškodb za vse znane vrste ojačevalnikov.

V točki razlike 1dB definiramo izhodno moč ojačevalnika P1dB inojačenje G1dB. Moč P1dB je resnična, merljiva in uporabna izhodna moč

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 3

ojačevalnika. G1dB je jasno za 1dB manjši od ojačenja Glin za majhnesignale. Glede na velikostni razred ojačenja običajnihvisokofrekvenčnih ojačevalnikov, ki se uporabljajo v radijskihoddajnikih, je G1dB povsem uporabna vrednost.

3.2. Popačenje ozkopasovnega ojačevalnika

Podatek P1dB nam sicer pove, koliko moči lahko proizvedeojačevalnik. Po drugi strani nam P1dB zelo malo pove o tem, kolikoje popačen izhodni signal ojačevalnika pri dani izhodni moči.Popačenje močnostnega ojačevalnika v oddajniku kvari lastnoinformacijo, ki jo želimo prenašati po radijski zvezi ter povzročamotnje drugim uporabnikom v drugih delih radiofrekvenčnegaspektra.

Za obravnavo popačenja opišemo nelinearno vezje s potenčnovrsto, kot je to prikazano na sliki 3.2. Vhodna veličina inizhodna veličina sta trenutni vrednosti napetosti (tokov ipd).Takšen preprost zapis seveda zanemarja frekvenčno odvisnost vezjaoziroma različne načine kopičenja energije znotraj ojačevalnika.

Slika 3.2 – Odziv nelinearnega vezja.

V radijskih zvezah uporabljamo ozkopasovne signale. Pasovnaširina radijskega signala znaša manj kot 10% osrednje frekvence, vvečini slučajev še dosti manj kot 1%. Zato si je smiselnoogledati, kakšen je učinek nelinearnosti vezja na sinusne signale.Najpreprostejši slučaj je krmiljenje nelinearnega vezja(ojačevalnika) z enim samim sinusnim signalom (en sam ton), kot jeto prikazano na sliki 3.3.

Nelinearno vezje sinusni signal usmerja, tvori višjeharmonske komponente in končno višji členi poskrbijo zazmanjševanje ojačenja v področju zasičenja. Enosmerni prispevek jeza nas nepomemben, saj ga ne moremo izsevati. Višje harmonskekomponente lahko preprosto izločimo z nizkoprepustnim sitom.Končno je sama oddajna antena pasovno sito, ki učinkovito seva lev ozkem pasu frekvenc. Iz tega lahko zaključimo, da je prikrmiljenju z enim samimi sinusnim signalom popačenje močnostnegaojačevalnika v radijskem oddajniku skoraj nepomembno, saj ga z

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 4

lahkoto izločimo z enim samim nizkoprepustnim sitom.

Spekter izhodnega signala nelinearnega vezja postane dostibolj kompliciran pri krmiljenju z dvema sinusnima signaloma, kotje to razvidno na sliki 3.3. Iz dveh sinusnih signalov dobimopoleg ojačane inačice vhodnih signalov še usmerjanje, višjeharmonike obeh signalov ter najrazličnejše mešalne produkte obehsignalov in njunih harmonikov. Posamezni prispevki v izhodnemspektru seveda natančno ustrezajo potenci člena, ki jih jeproizvedel.

Slika 3.3 – Prispevki členov v spektru izhodnega signala.

Radijski signal male pasovne širine lahko ponazorimo z dvemasinusnima signaloma (dvotonsko krmiljenje), ki se relativno malorazlikujeta po frekvenci. V tem slučaju se najrazličnejši mešalni

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 5

produkti strnejo v gruče okoli obeh izvornih signalov ter njunihharmonikov, kot je to prikazano na sliki 3.4. Tudi v tem primerulahko večino spektralnih komponent izločimo s preprostimifrekvenčnimi siti oziroma se nahajajo izven pasovne širine oddajneantene.

Izjema so mešalni produkti lihih redov, ki so na sliki 3.3označeni v okvirčkih. Ti mešalni produkti se pojavijo frekvenčnozelo blizu izvornih signalov. Ker se ti mešalni produkti nahajajoznotraj frekvenčnega pasu modulacije, to je frekvenčnega pasu, kiga izkoriščamo za prenos informacije, jih ne moremo oziroma nesmemo zadušiti s frekvenčnimi siti. Motnje te vrste imenujemointermodulacijsko popačenje ali IMD (Inter-Modulation Distortion).

Slika 3.4 – Frekvenčni spekter pri dvotonskem krmiljenju.

Povečana slika frekvenčnega spektra intermodulacijskegapopačenja v okolici izvornih signalov je prikazana na sliki 3.5.Vsi intermodulacijski produkti so lihih redov, vse razdalje medspektralnimi črtami so enake frekvenčni razliki izvornih signalov.Jakost intermodulacijskih produktov upada z višanjem redapopačenja.

Intermodulacijsko popačenje (IMD) je glavna omejitev vsehozkopasovnih sistemov zvez. Čeprav nam najpogosteje nagaja vizhodnih stopnjah radijskih oddajnikov, je IMD lahko izvor motenjtudi v prekrmiljenih vhodnih stopnjah radijskih sprejemnikov. IMDnagaja tudi v vrvičnih zvezah in sicer v električnih ojačevalnikihomrežij s koaksialnimi kabli kot tudi v svetlobnih vlaknih, kjerpojav IMD zaradi nelinearnosti stekla tretjega reda običajnoimenujemo štirivalovno mešanje ali FWM (Four-Wave Mixing).

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 6

Slika 3.5 – Frekvenčni spekter intermodulacijskega popačenja.

3.3. Izračun moči intermodulacijskih produktov

Intermodulacijsko popačenje vseh redov se vedno pojavi vvsakem ojačevalniku, saj je vsak ojačevalnik do določene merenelinearen. Naloga načrtovalca je, da ugotovi, kolikšna je jakostposameznih intermodulacijskih produktov in v kolikšni meri IMDmoti delovanje celotnega sistema.

Nelinearnost večine ojačevalnikov (in drugih gradnikov) jetakšne oblike, da velikost členov pri razvoju v potenčno vrstorazmeroma hitro upada. V praksi to pomeni, da povzroča najhujšemotnje intermodulacijsko popačenje tretjega reda. Natančnejšaobravnava zahteva še upoštevanje IMD petega reda. IMD višjih redovnam običajno ni treba upoštevati, ker so jakosti teh produktov obsmotrni uporabi ojačevalnikov izredno nizke.

Potek jakosti linearno ojačanih signalov (Plin) in potekjakosti intermodulacijskih produktov tretjega reda (PIMD3) staprikazana na sliki 3.6. V logaritemskem merilu je krivulja za Plin

premica pod 45O, odmaknjena od koordinatnega izhodišča za ojačenjeojačevalnika G. Krivulja se seveda zlomi, ko ojačevalnik dosežezasičenje.

Ker je intermodulacijsko popačenje produkt tretjega reda,njegova jakost narašča pri majhnih signalih s tretjo potencojakosti vhodnega signala v ojačevalnik. V logaritemskem merilu zamoči to pomeni premico, ki se dviguje pod kotom 71.57O ali boljpreprosto takšnim kotom, da znaša njegov tangens 3. En decibelmočnejši vhodni signal pomeni 3dB večje intermodulacijske produkte

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 7

tretjega reda. To preprosto pravilo pogosto uporabljamo, dadoločimo izvor in red popačenj.

Slika 3.6 – Jakost intermodulacijskega popačenja.

Tudi krivulja intermodulacijskega popačenja tretjega reda sezlomi in zapusti prvotno premico s tangensom 3, ko jakost vhodnegasignala privede ojačevalnik v zasičenje. V nasičenju jakostintermodulacijskih produktov običajno ne preseže jakosti linearnoojačanih signalov. Pač pa v nasičenju strmo narašča jakostintermodulacijskih produktov višjih redov.

Koliko podatkov potrebujemo za izračun jakostiintermodulacijskega popačenja tretjega reda? Preprosta zamisel je

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 8

prikazana grafično na sliki 3.6. Obe premici za Plin in PIMD3

podaljšamo preko meje, ko se resnični krivulji zlomita vzasičenju. Premici se potem sekata v točki, ki jo imenujemopresečna točka (intercept point) tretjega reda ali IP3. Če poznamopoložaj presečne točke, lahko skozi njo potegnemo obe premici inizračunamo jakost popačenja za male signale pod mejo zasičenja.

Ker popačenje v glavnem zavisi od izhodne moči ojačevalnika,je smiselno definirati presečno točko IP3 glede na izhodno moč. Nata način izločimo napake zaradi spreminjanja ojačenja Gojačevalnika zaradi temperature, napajalne napetosti ali staranjadelov. V zelo redkih slučajih definiramo presečno točko glede najakost vhodnih signalov (naprimer za radijske sprejemnike) in toizjemo moramo posebej poudariti pri navajanju podatkov!

Presečni točki IP3 torej lahko pripišemo neko izhodno moč PIP3.Ko zasičenje ojačevalnika ne bi odžiralo moči, bi v presečni točkiIP3 tako linearno ojačeni signali kot popačenje dosegli isto močPIP3. To se v resnici seveda nikoli ne zgodi, PIP3 je samo računskipripomoček in ni resnična moč. PIP3 je običajno vsaj za envelikostni razred večja od enosmerne moči, ki jo ojačevalnik dobiiz izvora napajanja.

Slika 3.7 – Izračun jakosti intermodulacijskega popačenja.

Računanje moči intermodulacijskih produktov za majhne močipred zasičenjem je z uporabo presečne točke silno enostavno, kotje to prikazano na sliki 3.7. Podoben izračun velja tudi zaintermodulacijske produkte višjih redov. Tu krivulje IMD naraščajos tangensi 5, 7, 9, 11 itd. Najprej torej poiščemo presečne točkeIP5, IP7, IP9, IP11 itd s premico linearnega ojačenja, določimo

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 9

moči presečnih točk PIP5, PIP7, PIP9, PIP11 itd in končno izračunamoPIMD5, PIMD7, PIMD9, PIMD11 itd.

Preprosti izrazi na sliki 3.7 veljajo v primeru, ko imata obespektralni črti izvornih signalov isto moč PLIN. V primeru dvehsignalov različnih moči oziroma v primeru intermodulacijskihproduktov treh ali več izvornih signalov moramo seveda pravilnoupoštevati moči posameznih signalov. Moč intermodulacijskegaprodukta 2f1-f2 je naprimer sorazmerna kvadratu moči signala sfrekvenco f1 in premosorazmerna moči signala s frekvenco f2.Podobno izračunamo moč intermodulacijskih produktov, ki jihtvorijo trije ali več tonov.

3.4. Meritev intermodulacijskega popačenja

Intermodulacijsko popačenje ima lahko različne učinke narazlične vrste signalov, kot je to prikazano na sliki 3.8.Najpreprostejši je odziv na dvotonski signal z enako močnimaspektralnima črtama. Pri resnični uporabi ojačevalnika v izhodnistopnji oddajnika seveda ojačujemo signale z zveznim spektrom.Kakšen bo točno učinek intermodulacijskega popačenja v temprimeru, je težko opisati.

Slika 3.8 – Učinek IMD na različne signale.

Frekvenčno (analogno) moduliran signal ima naprimer zvezenspekter, vendar stalno jakost in kakršenkoli ojačevalnik ne tvorinobenih intermodulacijskih produktov. Tudi večkanalni oddajnikUMTS bazne postaje ima zelo podoben spekter, vendar bogatooblikovano ovojnico, ki jo IMD ojačevalnika pretvori v neželjenebočne pasove. Najbolj zahteven slučaj je verjetno OFDMradiodifuzni oddajnik, ki ima zvezen spekter in zelo visokorazmerje med vršno in povprečno močjo, kar pomeni še večji učinekIMD kateregakoli člena v oddajni verigi.

Rezultati meritev IMD s signali z zveznim spektrom so zatotežko ponovljivi oziroma moramo točno navesti, s kakšno vrstosignala preizkušamo oddajnik. Osnovno meritev IMD ojačevalnika in

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 10

drugih vezij zato opravimo s preprostim dvotonskim signalom, kotje to prikazano na sliki 3.9, saj sta ovojnica in časovni potekdvotonskega signala enoveljavno določena.

Slika 3.9 – Dvotonska meritev intermodulacijskega popačenja.

Kot pri vsaki drugi meritvi moramo tudi pri merjenjuintermodulacijskega popačenja najprej razmisliti, kaj lahkovzamemo kot referenco in kaj je pravzaprav merjenec. Načeloma jelahko prav vsak sestavni del nelinearen in prav vsak sestavni delelektričnega vezja lahko tvori IMD. V vezju na sliki 3.9 se IMDlahko tvori znotraj samih visokofrekvenčnih izvorov, znotrajslabilcev in sklopnikov, znotraj merjenca in znotrajvisokofrekvenčnega spektralnega analizatorja.

Od vseh elektronskih sestavnih delov so najbolj linearni deliupori, iz katerih izdelamo slabilce. Tudi sklopniki, tako izgubni(z upori) kot brezizgubni (s sklopljenimi vodi), tvorijo zelo maloIMD. Uporovne slabilce vzamemo torej kot referenco pri meritvahIMD in smatramo, da se v slabilcih ne tvori IMD.

S spreminjanjem vstavitvenega slabljenja potem določamomesto, kjer se tvori IMD. Potek določanja je zelo preprost, kolahko opazujemo jakost vseh spektralnih črt na zaslonuspektralnega analizatorja. Če jakost določene spektralne črte padatočno z vstavljenim slabljenjem, potem se izvor te spektralne črtenahaja pred slabilcem v merilni verigi.

Če pa jakost določene spektralne črte upada hitreje kotvstavljeno slabljenje, potem se izvor te spektralne črte nahaja zaslabilcem v merilni verigi. Iz (logaritemskega) razmerja upadajakosti in vstavljenega slabljenja lahko neposredno izračunamo rednelinearnosti, ki proizvaja določeno spektralno črto. Če naprimervstavimo 4dB dodatnega slabljenja in jakost črte upade za 12dB,potem je red nelinearnosti enak 12/4=3, torej gre za IMD 3. reda.Če pa s 4dB slabilca opazimo upad neke druge črte za 20dB, to črtoproizvaja 20/4=5 oziroma IMD 5. reda. Pri širokopasovni meritvi

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 11

lahko seveda opazimo tudi popačenja sodih redov!

Meritev IMD je tehnično zelo zahtevna meritev, vse merilneinštrumente običajno uporabljamo na meji njihovih zmogljivosti.Prav zato ne moremo računati na nobeno rezervo v samih merilnikih,pač pa moramo pri vsaki meritvi z nastavljanjem slabilcev (edinonjim zaupamo!) določiti, če merjeno spektralno črto v resniciproizvaja naš merjenec, ne pa sami merilni inštrumenti.

Končno, ker popačenje ojačevalnika močno zavisi od izbranedelovne točke, med merilne inštrumente sodi tudi primerennastavljiv izvor napajanja glede na zahteve merjenca.

3.5. Zasičenje in popačenje aktivnih sestavnih delov

Močnostne izhodne stopnje radijskih oddajnikov danes vglavnem gradimo s polprevodniki in sicer z bipolarnimi alipoljskimi tranzistorji iz različnih polprevodnikov. Obnašanjemočnostnih tranzistorjev za radijske oddajnike pri krmiljenju zvelikimi signali je v grobem prikazano na sliki 3.10.

Slika 3.10 – Zasičenje in popačenje aktivnih delov.

Večstopenjski tranzistorski ojačevalniki se obnašajo kotomejevalniki, v zasičenju moč doseže konstantno vrednost. Če seojačevalnik obnaša kot omejevalnik, potem je pri dvotonskemkrmiljenju v zasičenje moč intermodulacijskih produktov tretjega

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 12

reda 20-krat (13dB) nižja od moči izvornih signalov. Linearentranzistorski ojačevalnik (v razredu “A”) doseže pri izhodni močiP1dB električni izkoristek moči napajalnega vira okoli 30% (največ50%).

Moč zasičenja in P1dB sicer povesta zelo malo o obnašanju inpopačenju tranzistorskega ojačevalnika pri malih signalih.Popačenje za male signale močno zavisi od vrste uporabljenihpolprevodnikov in samega vezja ojačevalnika. Popačenje različnihvrst tranzistorjev je strogo vezano na fizikalne osnove delovanjapolprevodnikov.

Bipolarni tranzistorji imajo v glavnem eksponentni odziv:bazni tok je eksponentna funkcija krmilne napetosti med bazo inemitorjem, kolektorski tok pa je le mnogokratnik baznega toka. Čeeksponentno funkcijo razvijemo v potenčno vrsto, vrsta vsebujeneskončno mnogo členov in v njej so zastopane vse potence, sode inlihe. Bipolarni tranzistorji so zato lahko izvorintermodulacijskega popačenja že pri majhnih signalih, sajfizikalna osnova njihovega delovanja zahteva prisotnost kubnega inostalih višjih lihih členov.

Poljski tranzistorji (spojni FET, MOSFET) imajo v glavnemkvadratični odziv: tok ponora je kvadratična funkcija napetostimed vrati in izvorom. Če poljski tranzistor smotrno uporabljamo,tak tranzistor proizvaja zelo malo intermodulacijskega popačenja,saj njegove fizikalne osnove delovanja ne dopuščajo kubnega inostalih višjih lihih členov, ki so potrebni za nastanek IMD.Resnične poljske tranzistorje lahko ponazorimo kot vzporednovezavo večjega števila “delnih” tranzistorjev z različnimipragovnimi napetostmi. V tem slučaju odziv nekoliko odstopa odkvadratične krivulje, vsaj nekaj “delnih” tranzistorjev na robuprečnega preseka tranzistorja vedno prekrmilimo in dobimo nekajIMD.

Končno, prav vsi močnostni tranzistorji, bipolarni inpoljski, vsebujejo nelinearne reaktivne sestavne dele, predvsemnelinearne kapacitivnosti polprevodniških spojev. Pri visokihfrekvencah te nelinearne kapacitivnosti poskrbijo za pretvorboamplitudne modulacije v fazno in tako povzročajo dodatnointermodulacijsko popačenje. Dodatno AM/φM popačenje se skupaj zobičajnimi pojavi zasičenja pokaže v obliki nesimetričnega spektrapopačenja.

Linearnost različnih ojačevalnih sestavnih delov preprostoopišemo kot razmerje med močjo presečne točke in močjo zasičenja,kot je to prikazano na sliki 3.11. Bipolarni tranzistorjiproizvajajo dosti IMD, zato se njihovo razmerje PIP3/P1dB suče okolivrednosti 10 (10dB). Poljski tranzistorji proizvajajo malo IMD,zato se njihovo razmerje PIP3/P1dB suče okoli vrednosti 100 (20dB).

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 13

Slika 3.11 – Linearnost aktivnih delov za ojačevalnike.

Linearnost ojačevalnika lahko popravimo z negativno povratnovezavo. Pri tem se moč zasičenja ojačevalnika skoraj nič nespremeni, intermodulacijsko popačenje za majhne signale pa seprecej zmanjša. Bipolarni tranzistorji za izhodne stopnjeoddajnikov so v notranjosti izdelani kot vzporedna vezava velikegaštevila malih tranzistorjev. Vsak od teh malih tranzistorjev imavgrajeno povratno vezavo v obliki zaporednega upora v emitorju, dase tok in z njim sproščena toplota enakomerno porazdeli medmnožico tranzistorjev na istem čipu. Taki tranzistorji imajoseveda manjše popačenje in večje razmerje PIP3/P1dB (okoli 15dB).

Podobno ugotavljamo popačenje drugih vrst ojačevalnikov iznjihovih fizikalnih osnov delovanja. Vakuumske elektronke zmrežicami oziroma s hitrostno modulacijo snopa se obnašajo podobnokot polprevodniki. Izjema so laserji (ojačevalniki svetlobe). Kernekatere vrste laserjev lahko uskladiščijo zelo veliko količinoenergije v svoji aktivni snovi, je razmerje med vršno in povprečnomočjo pri laserjih zelo visoko, intermodulacijsko popačenje pa jezanemarljivo majhno.

Ker je ojačenje enega samega tranzistorja premajhno, gradimoojačevalnike kot verige ojačevalnih stopenj. Pri gradnji verigeojačevalnikov moramo najprej paziti na to, da verižna vezavaslučajno ne proizvaja kubnega ali višjih lihih členov in na tanačin proizvaja IMD. Primer take vezave je verižna vezava dvehpoljskih tranzistorjev. Vsak tranzistor sam zase ima kvadratični

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 14

odziv in zato ne proizvaja IMD. Zaporedna vezava dveh takihstopenj ima odziv četrte stopnje z vsemi vmesnimi členi, tudikubnim, ki proizvaja IMD!

Dvostopenjski ojačevalnik s poljskimi tranzistorji zatogradimo tako, da med stopnji vstavimo pasovno sito. Pasovno sitoizloči (kvadratične) mešalne produkte prve stopnje, ki bi sicer sponovnim (kvadratičnim) mešanjem v drugi stopnji proizvedli IMDtretjega reda. Širokopasovnih visokofrekvenčnih ojačevalnikov zatoobičajno ne gradimo s poljskimi tranzistorji, saj v tem slučajunimajo nobene prednosti pred bipolarnimi tranzistorji.

Pri vezavi ojačevalnikov v verigo moramo zato najprejzagotoviti ustrezna pasovna sita med posameznimi ojačevalnimistopnjami, da popačenje predhodne stopnje izven prenosnega pasuslučajno ne tvori IMD produktov znotraj prenosnega pasu prekonelinearnosti naslednje stopnje. Popačenje take pravilnonačrtovane verige lahko potem obravnavamo kot vsoto popačenjposameznih stopenj, ki jih sledeče stopnje samo ojačujejo naprej.

Slika 3.12 – Izračun PIMD3 in PIP3 verige ojačevalnikov.

Pri seštevanju popačenj moramo upoštevati dejstvo, da gre zakazalčno vsoto. Če sestavljamo ojačevalnik iz podobnih stopenj spodobnimi izvori popačenja, so vsi kazalci popačenj posameznih

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 15

stopenj skoraj sofazni. Na izhodu ojačevalne verige se torejpreprosto seštevajo napetosti, kar ustreza kvadratnim korenom močipopačenj, kot je to prikazano na sliki 3.12.

Končni rezultat je presečna točka PIP3 celotne verigeojačevalnikov. V izrazu za izračun PIP3 verige je razvidno, da jeprispevek zadnje stopnje najpomembnejši. Prispevek predhodnihstopenj je ustrezno manjši glede na ojačenje stopenj, ki jimsledijo. To je preprosto razumljivo, saj te stopnje delajo prinižjih močeh signalov kot izhodna stopnja in je zato v njihpopačenje manjše.

Če gradimo posamezne ojačevalne stopnje na podoben način,potem je presečna točka posamezne stopnje PIP3(n) premosorazmernamoči zasičenja P1dB(n), ta pa je spet premosorazmerna enosmerniporabi posamezne stopnje (n). S pomočjo izraza za PIP3 ojačevalneverige na sliki 3.12 lahko torej določimo, koliko enosmerne močinaj potrošijo posamezne ojačevalne stopnje in kako veliketranzistorje naj vgradimo vanje, da bo IMD celotne verige zadostimajhen in bo električni izkoristek celotne ojačevalne verigenajboljši.

3.6. Delovna točka in izboljšanje izkoristka

Radijska zveza zahteva oddajnik določene moči, hkrati pa istioddajnik ne sme preveč popačiti niti lastne modulacije niti ne smepreveč motiti drugih uporabnikov radijskega spektra. Vse tezahteve se najprej pretvorijo v P1dB in PIP3, iz teh dveh števil padobimo enosmerno moč, ki jo mora zagotavljati izvor napajanja.

Električna energija je lahko v nekaterih slučajih silno draga(ročne naprave z baterijskim napajanjem ali oddajnik na krovuumetnega satelita). Hkrati lahko predstavlja veliko tehničnotežavo tudi odvajanje toplote, ki se sprošča v močnostnemojačevalniku oddajnika. Končno lahko pomeni izboljšanje izkoristkatudi uporabo manjših in cenejših polprevodnikov.

Pri tranzistorskih ojačevalnikih in ojačevalnikih zelektronkami s krmilnimi mrežicami lahko v določenih mejahizbiramo izkoristek z nastavitvijo delovne točke, kot je toprikazano na sliki 3.13. Najpreprostejša izbira je delovna točkana sredini linearnega dela prevajalne funkcije ojačevalnika ali“A” razred. Ojačevalnik v “A” razredu je sicer zelo linearen,izkoristek moči napajalnega izvora pa dosega komaj 30% (največ50%) pri P1dB. Končno, napajalna moč P= ojačevalnika v “A” razreduje neodvisna od krmiljenja ojačevalnika.

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 16

Slika 3.13 – Delovna točka tranzistorskega ojačevalnika.

Ojačevalnik v “B” razredu je manj linearen, saj ojačuje enosamo od obeh polperiod izmeničnega signala. Izkoristekojačevalnika v “B” razredu je precej boljši in dosega 50% (največ70%) pri P1dB. Napajalna moč P= ojačevalnika v “B” razredu jesorazmerna krmiljenju in se z zmanjševanjem krmilne močizmanjšuje.

Da se izognemo popačenju zaradi manjkajoče polperiode, vojačevalnikih v “B” razredu pogosto uporabljamo dva tranzistorjaali dve elektronki v protitaktni vezavi (push-pull). V radijskihoddajnikih ta ukrep sploh ni potreben, ker tudi en sam tranzistorv “B” razredu še ne proizvaja intermodulacijskega popačenja, kotje to razloženo na sliki 3.14.

Slika 3.14 – Razvoj odziva ojačevalnika v “B” razredu.

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 17

Odziv ojačevalnika v “B” razredu najprej razstavimo na vsotodveh funkcij: linearno funkcijo u1 in sodo funkcijo u2 okolidelovne točke UB. Če poljubno sodo funkcijo razvijemo v potenčnovrsto, ima vrsta samo sode člene. Skupni odziv ojačevalnika v “B”razredu ima torej enosmerno komponento, linearni člen in neskončnomnožico sodih členov. Odsotni so edino lihi členi tretjega invišjih redov, to je natančno tisti, ki proizvajajointermodulacijsko popačenje.

Popačenje enega samega tranzistorja (ali ene same elektronke)v “B” razredu lahko torej preprosto popolnoma izločimo z enimsamim nizkoprepustnim sitom na izhodu ojačevalnika. Nizkoprepustnosito običajno načrtujemo kot sestavni del ojačevalnika v “B”razredu tako, da višje harmonske in druga popačenja zaključi znajprimernejšo (reaktivno) impedanco in tako dodatno povečaizkoristek ojačevalnika.

Linearna izhodna moč PLIN, moč intermodulacijskega popačenjaPIMD3 in moč izvora napajanja P= ojačevalnika v “B” razredu soprikazani na sliki 3.15. Pri prekrmiljenju se ojačevalnik v “B”razredu obnaša podobno kot vsi ostali ojačevalniki, linearnaizhodna moč PLIN in intermodulacijsko popačenje PIMD3 dosežejozasičenje.

Slika 3.15 – IMD in poraba ojačevalnika v “B” razredu.

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 18

Pri krmiljenju s šibkimi signali najprej opazimo odstopanjekrivulje za intermodulacijsko popačenje PIMD3. PIMD3 se pod določenomočjo začne spet večati. Vzrok je nenatančna nastavitev delovnetočke oziroma neidealen odziv tranzistorja ali elektronke vkolenu: soda funkcija v točki UB ni popolnoma simetrična. Prinadaljnjem zmanjševanju krmilne moči začne odstopati celo krivuljaza linearno moč PLIN iz istega razloga. Vsak ojačevalnik v “B”razredu ima torej omejeno področje moči, v katerem je delovanjeojačevalnika dovolj linearno. Gornjo mejo tega področjapredstavlja P1dB, spodnjo mejo pa natančnost nastavitve delovnetočke.

Enosmerna moč napajanja P= ojačevalnika v “B” razredu jesorazmerna kvadratnemu korenu izhodne moči ojačevalnika.Pripadajoča krivulja na sliki 3.15 je v področju linearnegadelovanja ojačevalnika premica, ki ima v logaritemskem merilu močinaklon 26.57O ali bolj preprosto pod takšnim kotom, da znaša njegovtangens 1/2. Pri zmanjševanju krmilne moči izkoristek ojačevalnikav “B” razredu sicer upada, vendar ne tako hitro in nepremosorazmerno z močjo kot pri ojačevalniku v “A” razredu.

Dodatno zmanjšanje popačenja ojačevalnikov oziroma ustreznopovečanje izkoristka v razredih “A” in “B” lahko dosežemo spredpopačenjem (predistortion), kot je to prikazano na sliki 3.16.Predpopačenje izvedemo z zaporedno vezavo dveh vzporednihnelinearnih gradnikov, kjer je nelinearnost vezja za predpopačenjeskrbno izbrana tako, da kompenzira nelinearnost močnostnegaojačevalnika.

Slika 3.16 – Linearizacija ojačevalnika s predpopačenjem.

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 19

Bolj natančno opisano, popačenje zaradi zasičenjaojačevalnika pomeni, da imata linearni in kubni člen njegovegaodziva različna predznaka. Odziv vezja za predpopačenje mora torejimeti linearni in kubni člen z enakima predznakoma. Vezje zapredpopačenje praktično izdelamo z nelinearnimi sestavnimi deli,naprimer z dvema diodama z visokim pragom kot na sliki 3.16.Predpopačenje je seveda najlažje vgraditi v sam modulatoroddajnika, še posebno v slučaju številske (digitalne) izvedbeobdelave signalov v oddajniku.

Razen vezij za predpopačenje obstaja še cela družinadrugačnih rešitev, kako zmanjšati popačenje oziroma povečatiizkrmiljenje in s tem izkoristek ojačevalnikov. En tak primer jetehnika “feed-forward”, kjer dodatni močnostni ojačevalnikuporabimo samo za ojačevanje napak glavnega ojačevalnika, karpotem s sklopnikom odštejemo od izhodnega signala.

V ojačevalniku v “C” razredu nastavimo delovno točko dalečproč od linearnega področja oziroma je sploh ne nastavljamo.Izkoristek ojačevalnika v “C” razredu je zelo visok in običajnodosega 70% (se lahko približa 100%). Izhodni signal je hudopopačen in tu ni pomoči. Ojačevalnik v “C” razredu lahkouporabljamo le za radijske signale s konstantno ovojnico, naprimerpri frekvenčni ali fazni modulaciji. Pameten načrtovalec sipogosto zastavi vprašanje v obratni smeri: kakšno modulacijoizbrati, da lahko izdelamo oddajnik z enostavnim in učinkovitimojačevalnikom v “C” razredu?

Slika 3.17 – Ločeno ojačevanje nosilca in ovojnice.

Z ojačevalnikom v “C” razredu lahko sicer ojačujemo tudivisokofrekvenčne signale z bogato oblikovano ovojnico na nekolikodrugačen način, kot je to prikazano na sliki 3.17. Vhodnivisokofrekvenčni signal razdelimo v dve veji ter ločeno ojačujemonosilec (informacija o fazi signala) in ovojnico (informacija o

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 20

amplitudi signala). Močnostni visokofrekvenčni ojačevalnik dela vrazredu “C” z visokim izkoristkom. Ovojnico dodamo tako, da zdodatnim nizkofrekvenčnim močnostnim ojačevalnikom spreminjamonapajalno napetost ali tok visokofrekvenčnega ojačevalnika.

Nizkofrekvenčni ojačevalnik lahko izdelamo v stikalni(switching) tehniki z zelo visokim izkoristkom. Načrt oddajnika seznatno poenostavi, ko informacijo prenašamo le z amplitudo signala(amplitudna modulacija). Tedaj nam vhodnega signala ni trebarazcepiti na dve ločeni veji, pač pa samo modulacijo preprostoizvedemo v izhodni stopnji oddajnika. Taka tehnična rešitev jepreprosta in zanesljiva, poznamo jo od začetkov radijske tehnike.

3.7. Intermodulacijsko popačenje v sprejemniku

Kljub temu, da delujejo stopnje sprejemnika s signali majhnihmoči, je intermodulacijsko popačenje v vhodnih stopnjahsprejemnika lahko zelo moteč pojav. Pasovna širina sprejemneantene namreč omogoča, da pridejo do vhodnih stopenj sprejemnikapoleg željenega signala tudi signali drugih uporabnikov na drugihfrekvencah, kar predstavlja za naš sprejemnik motnje.Intermodulacijsko popačenje v vhodnih stopnjah sprejemnika lahkoiz teh motenj na različnih frekvencah sestavi IMD produkt točno nafrekvenci željenega signala.

Osnovni načrt običajnega superheterodinskega sprejemnika jeprikazan na sliki 3.18. Motnje na neželjenih frekvencah izločimošele z medfrekvenčnim sitom pasovne širine B na frekvenci fm.Tehnična izvedba sita je takšna, da se sito obnaša kot popolnomalinearen sestavni del in samo ne proizvaja IMD. Zaintermodulacijsko popačenje so v glavnem odgovorne stopnje predmedfrekvenčnim sitom.

Slika 3.18 – Intermodulacijsko popačenje v sprejemniku.

V sprejemniku imamo najhujše in protislovne tehnične zahteve

3. Izkoristek in popačenje ojačevalnikov stran 3. 21

za mešalnik. Vezje mešalnika mora biti po eni strani čimboljnelinearno, da sploh dobimo mešanje med vhodnim signalom inlokalnim oscilatorjem. Po drugi strani pa mora biti mešalnikčimbolj linearen, da ne dobimo IMD. Mešalnik precej izboljšasimetrična vezava nelinearnih sestavnih delov (balanced mixer), kipoveča kvadratični odziv (mešanje) in hkrati oslabi kubni odziv(IMD).

V sprejemnikih navajamo vse veličine glede na vhodne sponkeojačevalnikov, mešalnikov ipd. Ustrezno navedemo tudi presečnotočko IMD tretjega reda glede na vhodne sponke (Input InterceptPoint) in jo označimo s kratico IIP3. PIIP3 sprejemne verigeračunamo po izrazu na sliki 3.18. Visokofrekvenčni predojačevalnikG, ki nam izboljšuje šumno število F, pri tem žal katastrofalnoposlabša PIIP3 celotne sprejemne verige!