Sequenzielle Verstärkerarchitekturen für effiziente Leistungsendstufen

Lehmann, Thomas

In dieser Dissertation wurden die sequenziellen sowie die geschalteten sequenziellen Verstärker als neue Methoden zur Wirkungsgradsteigerung gewöhnlicher Verstärker vorgestellt. Aufgrund des geringen mittleren Wirkungsgrades konventioneller linearer Verstärker beim Betrieb mit amplitudenmodulierten Signalen sind Effizienz steigernde Konzepte von besonderem Interesse. Zur Realisierung der geschalteten Netzwerke wurden ebenfalls neuartige geschaltete und auch kontinuierlich abstimmbare Richtkoppler entwickelt, vorgestellt und untersucht. Die sequenziellen Verstärker (SPA) stellen eine sehr elegante und einfache Methode zur Optimierung des Systems dar. Ein SPA zeichnet sich im Vergleich zu anderen Methoden durch seinen sehr einfachen Aufbau aus. Er besteht im Wesentlichen aus zwei konventionellen linearen Verstärkern und einem Power-Combiner in Form eines Richtkopplers. Durch die entkoppelnde Eigenschaft eines Richtkopplers können gewöhnliche Verstärker zum Einsatz kommen. Die einzelnen Verstärker sind parallel angeordnet und dementsprechend lässt sich die Anzahl der aktiven Komponenten im Netzwerk an den momentanen Leistungsbedarf anpassen. Infolgedessen lässt sich der mittlere Wirkungsgrad des gesamten Systems signifikant steigern. Im Vergleich zu einem gewöhnlichen einzelnen Klasse-B Verstärker ist eine Steigerung um 35 % auf dann 50 % mittleren Wirkungsgrad möglich. Bei der Verwendung von Lange-Kopplern kann so ein SPA eine relative Bandbreite von 50 % erreichen. Als zweite Effizienz steigernde Methode wurden die geschalteten sequenziellen Verstärker (SSA) vorgestellt, die auf dem bekannten balancierten Verstärker aufbauen. In dem ursprünglichen Konzept werden die Richtkoppler durch neu im Rahmen dieser Arbeit entwickelte geschaltete Komponenten ersetz, wodurch ebenfalls das Abschalten nicht benötigter aktiver Peripherie ermöglicht wird und so eine Anpassung and den momentanen Leistungsbedarf stattfindet. Durch das Deaktivieren einzelner Verstärker werden die Verbleidenden dicht an ihrer maximalen Aussteuerung betrieben, was ebenfalls einem hohen Wirkungsgrad entspricht. Die Wirkungsgradsteigerung und Bandbreite für ein zweistufiges SSA-Netzwerk ist ähnlich der des SPA und bei einer dreistufigen Ausführung beträgt diese 63 % auf dann 60.5 % mittlere Power Added Efficiency. Beide Konzepte, SPA und SSA, bieten die Möglichkeit den Wirkungsgradverlauf an die Signalstatistik des zu verstärkenden Signals anzupassen und so eine optimale Ausnutzung der Wirkungsgradcharakteristik zu ermöglichen. Hierzu sind lediglich das Verhältnis der Verstärkerausgangsleistungen und der Koppelfaktor der benutzten Richtkoppler nach definierten Optimierungsvorschriften anzupassen. Weiterhin können sowohl SPA als auch SSA, aufgrund ihres einfachen Aufbaus ohne großen zusätzlichen Aufwand auf mehrstufige Konzepte erweitert werden. Das bietet den Vorteil, sehr flexibel für unterschiedlichste Systeme und deren Signalstandards von nutzen zu sein. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die beiden neu vorgestellten Konzepte mit bekannten Effizienzsteigerungsmethoden verglichen und ausführlich diskutiert. Es stellte sich heraus, dass der SPA und der SSA die Methoden mit dem einfachsten Aufbau und der größten relativen Bandbreite sind. Bezüglich ihres Potenzials der Wirkungsgradsteigerung liegen sie mit auf den vordersten Plätzen und wurden nur vom Doherty-Verstärker Konzept übertroffen.

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Lehmann, Thomas: Sequenzielle Verstärkerarchitekturen für effiziente Leistungsendstufen. 2010.

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