تقویت کننده ی کلاس e پر بازده با شبکه بار جدید

رشد روز افزون فناوری بی سیم همراه و در خواست ها برای سیستم هایی با عمر باطری بیشتر توجهات را به سوی طراحی هایی با مصرف توان کمتر جلب کرده است. در این بین تقویت کننده های قدرت بدلیل مصرف توان زیاد نیاز به طراحی دقیقی دارند. تلاش های زیادی برای افزایش بازدهی تقویت کننده های قدرت چه در سطح مداری و چه در سطح سیستمی صورت گرفته است. در سطح مداری، یکی از پرکاربردترین روش ها استفاده تقویت کننده های قدرت سوئیچ شونده، بویژه تقویت کننده های کلاس e می باشد. در تقویت کننده ی کلاس e بدلیل بهره گیری از شرایط سوئیچ شوندگی نرم و عدم انطباق ولتاژ و جریان المان فعال، بازدهی 100% در تئوری قابل حصول است. البته، عوامل غیر ایده آل مربوط به افزاره ی فعال همچون مقاومت حالت روشن غیر صفر، زمان گذار روشن به خاموش غیر صفر و اندوکتانس پارازیتی، و همچنین ضریب کیفیت محدود المانهای غیر فعال باعث تنزل بازدهی آن ها می شوند. در نظر نگرفتن عوامل پارازیتیکی در طراحی تقویت کننده ی کلاس e می تواند به عملکرد بد تقویت کننده یا خرابی آن منجر شود. بنابراین نیاز به بررسی دقیق تأثیر چنین المان های داریم. توان خروجی و فرکانس کاری تقویت کننده های قدرت، همچنین، دو مشخصه ی اصلی از تقویت کننده های قدرت را شامل می شوند. برای حصول توان های بالا از تقویت کننده ی کلاس e نیاز به استفاده از مقاومت های بار کوچک و یا ولتاژ تغذیه ی بالا می شود، که اولی باعث افزایش تلفات افزاره ی فعال و شبکه ی تطبیق خروجی و دومی باعث افزایش ولتاژ استرس بر روی افزاره ی فعال می شود. خازن خروجی ترانزیستور ها عامل محدودیت فرکانس کاری تقویت کننده کلاس e در فرکانس های بالا می باشد که مقدار خازن بهینه موازی با این خازن قابل مقایسه می شود. یکی از المان های پارازیتی که تأثیر مخربی روی مدارات فرکانس بالا دارد، اندوکتانس پارازیتی ناشی ناشی از سیم اتصال زمین پد به پایه ی بسته بندی مدارات مجتمع می باشد. در این کار، تأثیر این اندوکتانس بر عملکرد تقویت کننده ی کلاس e در فناوری cmos بررسی شده است. همچنین یک شبکه بار جدید برای تقویت کننده ی کلاس e ارائه شد. با استفاده از یک خازن و القاکننده اضافی، آزادی طراحی این تقویت کننده بطور چشمگیری افزایش پیدا کرد. نشان داده شد که بدین وسیله می توان مقدار مقاومت بار را بسیار بزرگ انتخاب کرد. همچنین اندازه ی خازن موازی خروجی و در نتیجه بیشینه ی فرکانس کارکرد تقویت کننده برای یک افزاره ی فعال مشخص 3.77 برابر تقویت کننده ی کلاس e ساده می باشد. همچنین نشان داده شد که اگرچه ولتاژ استرس تقویت کننده بمقدار جزئی افزایش یافته، ظرفیت توان آن به اندازه ی 7% نسبت به ساختار ابتدایی بهبود یافته است. همچنین امکان استفاده از راکتانس های مثبت، منفی و حتی عدم نیاز به راکتانس اضافی، سری با شبکه تشدید خروجی وجود دارد. همچنین شبیه سازی هایی برای تحقیق در مورد قابلیت پیاده سازی تقویت کننده انجام شدند. شبیه سازی برای 6 طراحی از تقویت کننده ی پیشنهادی در فناوری cmos انجام شد. فرکانس کار ghz 1 و توان خروجی مورد نظر dbm 20 لحاظ شدند. این شبیه سازی ها افزایش بازدهی تقویت کننده قدرت را، همانطور که قبلاً انتظار می رفت، تا 3.7% نسبت به تقویت کننده ی ابتدایی نشان می-دهند. همچنین نتایج شبیه سازی هارمونیک بالانس برای بازه ی فرکانسی ghz0.85 تا ghz1.15 حاکی از پهنای باند بیشتر در کنار بازدهی میانگین بالاتر برای تقویت کننده ی پیشنهادی در مقایسه با تقویت کننده ی کلاس e ابتدایی هستند.