了解變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器

在本文中，我們將學(xué)習變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器的工作原理，并重點(diǎn)介紹它的一些優(yōu)點(diǎn)。

本系列的前幾篇文章研究了互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器以及影響其性能的一些非理想因素。在本文中，我們將討論一種不同的D類(lèi)配置：變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)（TCVS）放大器。TCVS放大器的示意圖如圖1所示。

變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器示意圖。

圖1.變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器

在本文中，我們將探討該放大器的操作，分析其性能，并將其與基本的B類(lèi)配置進(jìn)行比較。為了幫助鞏固我們討論的概念，我們還將在兩個(gè)示例問(wèn)題中確定TCVS放大器的電路參數。然而，在這之前，讓我們檢查一下電路本身。

TCVS放大器示意圖

您可能已經(jīng)注意到圖1與之前文章中的變壓器耦合推挽式B類(lèi)放大器之間，存在一些相似之處。為了便于比較，圖2中再現了推挽式B級的簡(jiǎn)化圖。

變壓器耦合推挽式B類(lèi)放大器的電路圖。

圖2.變壓器耦合推挽式B類(lèi)放大器

在上述兩種配置中，兩個(gè)晶體管（Q1和Q2）在輸入信號的交替半周期內工作。在任何給定時(shí)間，只有一個(gè)晶體管被驅動(dòng)導通。為了避免兩個(gè)晶體管同時(shí)導通，中心抽頭輸入變壓器（T2）從單端輸入信號產(chǎn)生相反極性的驅動(dòng)信號。

T2的中心抽頭連接到固定偏置電壓。在圖2中，該電壓標記為Vbias。對于推挽式B級，選擇Vbias以適當地偏置晶體管，使其剛好低于導通點(diǎn)。對于TCVS配置，偏置電壓為地。

這兩種類(lèi)型的功率放大器都使用輸出變壓器（T1）來(lái)組合集電極電流。在圖1和圖2中，輸出變壓器的中心抽頭連接到電源（VCC）。一個(gè)主要區別是推挽式B級直接連接到負載。另一方面，TCVS配置通過(guò)串聯(lián)LC電路連接到負載。

盡管有上述相似之處，但這兩個(gè)放大器的工作方式完全不同。在推挽式B類(lèi)放大器中，晶體管作為電流源工作，在T1的次級產(chǎn)生正弦電壓。然而，使用TCVS放大器，晶體管被足夠硬地驅動(dòng)以充當開(kāi)關(guān)，T1次級的電壓信號是方波。

TCVS放大器是如何工作的？

首先，讓我們考慮TCVS放大器工作的每個(gè)半周期。圖3中的簡(jiǎn)化圖顯示了當上部開(kāi)關(guān)（S1）閉合而底部開(kāi)關(guān)（S2）打開(kāi)時(shí)的放大器。我們假設晶體管充當理想開(kāi)關(guān)，這就是為什么在本圖和下圖中S1和S2取代了Q1和Q2。當晶體管導通時(shí)，其相應的開(kāi)關(guān)閉合；當晶體管關(guān)斷時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

當上部開(kāi)關(guān)打開(kāi)而下部開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，TCVS放大器。

圖3.當S1關(guān)閉而S2打開(kāi)時(shí)，TCVS放大器

在這個(gè)半周期中，節點(diǎn)C顯然處于地電位。VCC的電壓降出現在初級繞組的上段。其極性在圖中以紫色顯示。

由于變壓器的作用，下繞組上也感應出相同的電壓。因此，節點(diǎn)D處于2VCC，而節點(diǎn)C處于地。請注意，我們假設變壓器和開(kāi)關(guān)都是理想的。

圖4顯示了下一個(gè)半周期，即S1打開(kāi)，S2關(guān)閉。

當上部開(kāi)關(guān)關(guān)閉而下部開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，TCVS放大器。

圖4.當S1打開(kāi)而S2關(guān)閉時(shí)，TCVS放大器

VCC的電壓現在出現在初級繞組的下段。繞組之間的磁耦合在初級繞組的上段產(chǎn)生相同的電壓。極性再次以紫色顯示。在這個(gè)半周期中，節點(diǎn)D接地，節點(diǎn)C處于2VCC。

了解電壓波形

查看：

當Q1關(guān)斷而Q2接通時(shí)，節點(diǎn)C處于2VCC，節點(diǎn)D處于地。

當Q1導通，Q2關(guān)斷時(shí)，節點(diǎn)C接地，節點(diǎn)D為2VCC。

因此，節點(diǎn)C和節點(diǎn)D處的電壓（分別為VC和VD）是在零和2VCC之間切換的方波。圖5顯示了兩個(gè)完整周期內的電壓波形，假設Q1在前半個(gè)周期為OFF，Q2為ON。

節點(diǎn)C（頂部）和節點(diǎn)D（底部）的電壓。

圖5.節點(diǎn)C（頂部）和節點(diǎn)D（底部）在兩個(gè)完整操作周期內的電壓

這里的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，每個(gè)晶體管的最大集電極-發(fā)射極電壓是電源電壓（2VCC）的兩倍。在為T(mén)CVS放大器選擇晶體管時(shí)，應考慮到這一點(diǎn)。

接下來(lái)，讓我們確定調諧電路輸入端（節點(diǎn)E）的電壓。從圖3和圖4中，我們觀(guān)察到具有交替極性的VCC電壓在初級繞組的每個(gè)段上下降。由于初級繞組中的每個(gè)段有m匝，次級繞組有n匝，因此節點(diǎn)E處的電壓具有（n/m）VCC的幅度。因為極性在一個(gè)半周期為正，在另一個(gè)半周為負，所以節點(diǎn)E處的電壓在+（n/m）VCC和-（n/m）VCC之間切換。

這實(shí)際上是TCVS電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)改變輸出變壓器的匝數比，我們可以根據設計規范縮放輸出方波的振幅。節點(diǎn)E（VE）的電壓波形如圖6所示。

節點(diǎn)E在兩個(gè)完整操作周期內的電壓。

圖6.節點(diǎn)E在兩個(gè)完整操作周期內的電壓

TCVS電路的操作與圖7中的基本D類(lèi)放大器的操作非常相似。

基本D類(lèi)放大器示意圖。

圖7.基本的D類(lèi)放大器

這就是我們用來(lái)介紹D類(lèi)運算概念的簡(jiǎn)單電路。這里，與TCVS放大器一樣，S1和S2交替地接通和關(guān)斷，以在節點(diǎn)E處產(chǎn)生方波。然而，方波在接地和VCC之間切換，而不是在+（n/m）VCC和-（n/m）VCC之間切換。

現在我們了解了TCVS放大器的工作原理，讓我們檢查一下它的性能。

尋找TCVS放大器的輸出功率

放大器的串聯(lián)RLC電路對輸入電壓的基頻分量以外的所有部分都呈現出非常大的阻抗。因此，調諧電路在基頻下施加正弦電流（圖8）。

基頻的正弦電流流過(guò)RLC電路。

圖8.基頻的正弦電流流過(guò)RLC電路

為了找到TCVS放大器輸出電流的幅度，我們需要找到節點(diǎn)E處方波的基波分量。使用傅里葉級數表示，我們可以根據其組成頻率分量表示圖6中的方波電流：

方程式1.

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n=輸出變壓器次級繞組的匝數

m=輸出變壓器初級繞組每段的匝數。

因此，方波的基本分量具有峰值：

方程式2.

除以RL，我們得到輸出電流的峰值：

方程式3.

最后，輸出功率為：

方程式4.

其中

 irms = Ip/$\sqrt{2}$

方程式3和4是設計TCVS放大器的關(guān)鍵關(guān)系，我們稍后會(huì )看到。同時(shí)，讓我們找到TCVS放大器的理論效率。

尋找TCVS放大器的效率

為了計算放大器的效率，我們需要知道輸出功率（方程式4）和輸入功率。輸入功率等于電源電壓乘以從電源汲取的電流的平均值。

雖然輸出電流（iRF）是正弦曲線(xiàn)，但通過(guò)開(kāi)關(guān)（圖1中的i1和i2）的電流是半波整流正弦曲線(xiàn)。因此，從電源（icc）汲取的總電流是全波整流正弦曲線(xiàn)。該電流波形如圖9所示。

從電源汲取的總電流是全波整流正弦曲線(xiàn)。

圖9.從電源汲取的總電流是全波整流正弦曲線(xiàn)

雖然iRF的峰值是Ip，但icc的峰值是（n/m）Ip。這是由于變壓器的電流縮放功能。你可以很容易地驗證振幅為Ip的全波整流正弦曲線(xiàn)具有2Ip/π的直流分量。圖9中振幅為（n/m）Ip的波形的平均值為：

方程式5.

在乘以VCC并從方程3中代入Ip后，發(fā)現電源提供的功率為：

方程式6.

這等于方程4中的輸出功率，這意味著(zhù)TCVS放大器——就像互補電壓開(kāi)關(guān)放大器一樣——具有100%的理想效率。

示例1：為T(mén)CVS放大器選擇最大晶體管電壓和電流

在上一篇文章中，我們發(fā)現了基本D類(lèi)放大器（圖7）的電源電壓和最大開(kāi)關(guān)電流，該放大器向50Ω負載提供了20 W的功率。讓我們對一個(gè)理想的TCVS放大器重復這個(gè)例子，該放大器為50Ω負載提供20 W的功率。假設匝數比（n/m）為1。

我們將從電源電壓開(kāi)始。將我們的示例值代入方程4，我們得到：

方程式7.

求解VCC，我們得到：

方程式8.

TCVS放大器的電源電壓為35.1V。

從圖9中可以看出，通過(guò)開(kāi)關(guān)的最大電流為（n/m）Ip。用方程式3中的Ip替換，我們得到：

方程式9.

我們知道VCC=35.1 V，（n/m）=1，RL=50Ω。將這些值代入方程式9，我們得到：

方程式10.

TCVS放大器的最大開(kāi)關(guān)電流為0.89 A。

TCVS放大器與基本D類(lèi)放大器的比較

回想一下，我們之前使用基本的D類(lèi)放大器而不是TCVS放大器完成了示例1。這為我們比較這兩種設計提供了一個(gè)有用的起點(diǎn)，我們將在本節中看到。

給定輸出功率下的電源電壓和最大開(kāi)關(guān)電流

總結上一節的結果，對于向50Ω電阻負載提供20 W功率的TCVS放大器，VCC=35.1 V，Imax=0.89 A。對于相同的輸出功率和負載電阻，基本的D類(lèi)放大器需要70.2 V的電源電壓。與TCVS放大器一樣，其每個(gè)開(kāi)關(guān)的最大電流為0.89 a。換句話(huà)說(shuō)，TCVS配置允許我們在使用相同的最大電流的同時(shí)將電源電壓減半。

TCVS放大器是如何實(shí)現這一點(diǎn)的？假設n/m=1，TCVS電路在調諧電路的輸入端產(chǎn)生峰峰值為2VCC的方波。另一方面，基本的D類(lèi)放大器產(chǎn)生VCC的峰峰值。這就是TCVS電路在給定的輸出功率和負載下將電源電壓減半的原因。

最大集電極-發(fā)射極電壓

最大集電極-發(fā)射極電壓是多少？在基本的D類(lèi)配置中，最大集電極-發(fā)射極電流等于VCC，即70.2 V。然而，圖5中的波形顯示，TCVS電路中的最大集電極-發(fā)射器電壓是電源電壓（2VCC）的兩倍。因此，雖然我們可以在TCVS設計中使用VCC=35.1V的電源電壓，但晶體管應容忍的最大集電極-發(fā)射極電壓為70.2V，與基本的D類(lèi)設計相同。

固定電源的最大開(kāi)關(guān)電流和輸出功率

最后，假設我們保持電源電壓和負載電阻不變?；綝類(lèi)放大器和TCVS放大器的最大開(kāi)關(guān)電流和輸出功率如何變化？

從首次介紹配置的文章中，我們知道基本D類(lèi)放大器的最大開(kāi)關(guān)電流為：

方程式11.

如果我們將其與TCVS放大器的最大開(kāi)關(guān)電流（方程式9）進(jìn)行比較，我們觀(guān)察到，對于給定的電源電壓（假設n/m=1），TCVS電路需要基本D類(lèi)放大器最大電流的兩倍。同時(shí)，基本D類(lèi)放大器的輸出功率為：

方程式12.

方程式4和12表明，對于相同的電源電壓和負載阻抗，TCVS電路的輸出功率是基本D類(lèi)放大器的四倍。我們再次假設n/m=1。

但是，如果n/m不等于1呢？TCVS電路中輸出變壓器的匝數比為我們提供了一個(gè)額外的設計參數。正如我們的下一個(gè)例子將說(shuō)明的那樣，此參數可用于權衡電源電壓和最大開(kāi)關(guān)電流。

示例2：了解輸出變壓器的作用

假設TCVS放大器要向50Ω負載提供20 W的功率，如前一個(gè)例子所示。然而，匝數比現在為n/m=2。所需的電源電壓和最大開(kāi)關(guān)電流是多少？

將上述值代入方程式4，我們得到：

方程式13.

求解VCC，我們得到：

方程式14.

電源電壓為VCC=17.56V，是我們在前一個(gè)例子中獲得的值的一半。最大開(kāi)關(guān)電流為：

方程式15.

Imax=1.79 A，是前一個(gè)值的兩倍。簡(jiǎn)而言之，將匝數比加倍可以將所需的電源電壓降低兩倍，并將最大電流增加相同的倍數。

下一篇

本文向我們介紹了變壓器耦合電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器，也稱(chēng)為T(mén)CVS放大器。在下一篇文章中，我們將把這種配置與變壓器耦合電流開(kāi)關(guān)（TCCS）D類(lèi)放大器進(jìn)行比較，我們將對此進(jìn)行詳細討論。