E類(lèi)功率放大器簡(jiǎn)介

了解E類(lèi)放大器如何在射頻頻率下提高D類(lèi)放大器的效率。

為了使D類(lèi)放大器提供高效率，它需要相對于工作頻率非?？斓拈_(kāi)關(guān)。隨著(zhù)我們向越來(lái)越高的頻率發(fā)展，這變得越來(lái)越具有挑戰性。在D類(lèi)射頻放大器中，開(kāi)關(guān)間隔可能占據工作周期的相當大一部分。寄生電容的損耗也隨著(zhù)頻率的增加而增加，這帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題。

E類(lèi)功率放大器有效地克服了這些挑戰。與D類(lèi)放大器一樣，這些是開(kāi)關(guān)模式放大器。然而，它們的負載網(wǎng)絡(luò )是專(zhuān)門(mén)設計的，以最大限度地減少開(kāi)關(guān)損耗，并將能量從分流器（晶體管輸出）電容引導到負載。在本文中，我們將討論E類(lèi)放大器的設計如何避免高頻D類(lèi)操作的陷阱。

D類(lèi)和E類(lèi)電路的對比

考慮圖1所示的互補電壓開(kāi)關(guān)D類(lèi)放大器。

互補電壓開(kāi)關(guān)配置，節點(diǎn)A的寄生電容由Cp建模。

圖1.互補電壓開(kāi)關(guān)配置，節點(diǎn)A的寄生電容由Cp建模

在上圖中，Cp對晶體管的寄生輸出電容進(jìn)行了建模。晶體管在交替的半周期內導通和截止，導致節點(diǎn)A處的電壓在VCC和地之間切換。每當發(fā)生轉變時(shí)，Cp的充電和放電都會(huì )導致一些能量在開(kāi)關(guān)的導通電阻中以熱量的形式消散。

例如，對于從VCC到地的轉換，晶體管Q2導通并釋放最初存儲在Cp中的電荷。這會(huì )消耗Q2導通電阻中的一些能量。Cp充放電損失的總功率為：

方程式1

其中f是放大器的開(kāi)關(guān)頻率。

D類(lèi)放大器的操作涉及Cp的充電和放電，但存儲在電容中的能量不會(huì )傳遞到負載。事實(shí)上，Cp的值根本不會(huì )影響輸出射頻功率——它從電源中獲得的功率會(huì )因熱量而損失。

相比之下，圖2顯示了最簡(jiǎn)單的E類(lèi)放大器的電路示意圖。

低階E類(lèi)放大器示意圖。

圖2.低階E類(lèi)放大器示意圖

該電路中的晶體管被驅動(dòng)以充當開(kāi)關(guān)。RF扼流圈（L1）提供到電源的DC路徑，并在RF處近似開(kāi)路。L0和C0形成將負載連接到晶體管集電極的串聯(lián)調諧電路。

晶體管和C0之間是分流電容（Csh）。分流電容包括在輸出端添加的電容器和設備輸出寄生電容。與D類(lèi)放大器不同，存儲在該電容中的能量不會(huì )以熱量的形式消散，而是被引導到負載。

正如我們將在本文稍后看到的，Csh在E類(lèi)放大器的操作中起著(zhù)關(guān)鍵作用。然而，在我們開(kāi)始之前，我們需要了解有限切換速度的問(wèn)題。只有到那時(shí)，我們才能準備好討論E類(lèi)功率放大器如何處理這個(gè)問(wèn)題。

緩慢上升和下降時(shí)間對開(kāi)關(guān)模式操作的影響

當開(kāi)關(guān)的驅動(dòng)信號理想時(shí)，它們近似于具有銳邊的矩形波形。為了更準確地反映實(shí)際情況，我們應該假設開(kāi)關(guān)電流和電壓波形是梯形而不是矩形。如圖3所示。

實(shí)際開(kāi)關(guān)的電流（頂部）和電壓（底部）波形呈現非零過(guò)渡間隔。

圖3.實(shí)際開(kāi)關(guān)的電流（頂部）和電壓（底部）波形呈現非零過(guò)渡間隔

要理解圖3中的波形，請回想開(kāi)關(guān)模式功率放大器背后的基本思想，即將晶體管作為開(kāi)關(guān)而不是電流源操作可以提高效率。理想的開(kāi)關(guān)不消耗功率，因為其電壓和電流的乘積始終為零。開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，沒(méi)有電壓降；當開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，它沒(méi)有電流流動(dòng)。由于晶體管不消耗功率，開(kāi)關(guān)模式功率放大器的理論效率可以接近100%。

然而，在實(shí)踐中，晶體管不會(huì )瞬間改變狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)間隔期間，開(kāi)關(guān)兩端的電壓和通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流都是可感知的。對于非零IV乘積，功率在晶體管中耗散，降低了放大器的效率。

E類(lèi)放大器通過(guò)策略性地在時(shí)間上移動(dòng)電壓和電流切換轉換來(lái)防止這種情況。理想情況下，即使開(kāi)關(guān)轉換占RF周期的很大一部分，這也會(huì )導致晶體管中的零功耗。時(shí)序偏移是通過(guò)仔細設計負載網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的，包括設備輸出端的分流電容（圖2中的Csh）。在接下來(lái)的部分中，我們將研究這種設計如何在關(guān)斷和接通轉換期間消除開(kāi)關(guān)損耗。

消除開(kāi)關(guān)關(guān)斷損耗

具有純電阻負載的電路將具有圖3所示的開(kāi)關(guān)電壓和電流波形，其中開(kāi)關(guān)電流的變化轉化為開(kāi)關(guān)電壓的瞬時(shí)和成比例的變化。然而，如果我們在負載網(wǎng)絡(luò )中添加分流電容器，我們可以預期開(kāi)關(guān)電壓和電流波形的邊緣之間會(huì )有一些延遲。這是因為電容器兩端的電壓變化（ΔVc）與電容成反比，如方程式2所示：

方程式2

對于給定的電流（I），額外的電容（C）在給定的時(shí)間間隔（Δt）內減小ΔVc。因此，我們可以通過(guò)選擇足夠大的分流電容器來(lái)產(chǎn)生所需的定時(shí)偏移。

圖4顯示了添加時(shí)間延遲如何影響圖3中的波形。

通過(guò)將集電極電壓的上升延遲到開(kāi)關(guān)電流減小到零之后而產(chǎn)生的波形。

圖4.通過(guò)將集電極電壓的上升延遲到開(kāi)關(guān)電流減小到零之后而產(chǎn)生的波形

在圖4中，電壓和電流波形的非零部分在開(kāi)關(guān)的ON到OFF轉換期間（T1和T3間隔）不重疊。因此，在關(guān)閉轉換期間，我們有IV=0，導致零功率損失。然而，T2間隔周?chē)闹丿B——從OFF到ON的轉變——實(shí)際上增加了。

很明顯，僅僅引入延遲不足以消除兩組轉換期間的開(kāi)關(guān)損耗。為了了解E類(lèi)放大器如何在OFF到ON轉換期間消除開(kāi)關(guān)功率損耗，我們需要檢查開(kāi)關(guān)處于OFF狀態(tài)時(shí)的電路。

消除開(kāi)關(guān)接通損耗

圖5顯示了開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)E類(lèi)放大器的負載網(wǎng)絡(luò )。

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)E類(lèi)放大器的負載網(wǎng)絡(luò )。

圖5.開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)E類(lèi)放大器的負載網(wǎng)絡(luò )

在開(kāi)關(guān)關(guān)閉后，E類(lèi)放大器的負載網(wǎng)絡(luò )作為一個(gè)阻尼二階系統運行，其電感器（L0）和電容器（C0和Csh）中存儲了一些初始能量。雖然在這個(gè)半周期內沒(méi)有向負載網(wǎng)絡(luò )施加輸入，但系統中存儲的初始能量會(huì )導致瞬態(tài)響應。由于RL耗散能量，瞬態(tài)響應最終消失。

為了深入了解負載網(wǎng)絡(luò )的響應，讓我們使用圖6中的LTspice示意圖。請注意，該電路的初始條件和元件值都是任意選擇的。

LTspice原理圖，用于檢查具有某些初始條件的串聯(lián)RLC電路的響應。

圖6.LTspice原理圖，用于檢查具有某些初始條件的串聯(lián)RLC電路的響應

從我們的電路理論課程中，我們知道元件的值會(huì )導致三種不同類(lèi)型的瞬態(tài)響應：

過(guò)阻尼。

臨界阻尼。

欠阻尼。

圖7顯示了三個(gè)不同RL值下電容器（C1）兩端電壓的時(shí)間響應，使我們能夠檢查所有三個(gè)阻尼水平。

串聯(lián)RLC電路對R_L=10、20和30歐姆的響應。

圖7.串聯(lián)RLC電路對RL=10Ω、20Ω和30Ω的響應

雖然響應的形狀取決于組件值，但RL的存在確保了最終的電容器電壓為零。如果功率放大器中開(kāi)關(guān)的OFF半周期足夠長(cháng)，當開(kāi)關(guān)接通時(shí)，電容器電壓實(shí)際上會(huì )降低到0V。與圖4所示的假設情況不同，這會(huì )自動(dòng)消除OFF到ON轉換期間開(kāi)關(guān)電流和電壓波形之間的重疊。

圖8顯示了E類(lèi)放大器的典型（盡管不是理想）開(kāi)關(guān)波形。

E類(lèi)放大器的典型開(kāi)關(guān)電流（頂部）和電壓（底部）波形。

圖8. E類(lèi)放大器的典型開(kāi)關(guān)電流（頂部）和電壓（底部）波形

總結

為了獲得最佳性能，E類(lèi)放大器中的負載網(wǎng)絡(luò )應設計為產(chǎn)生臨界阻尼響應。我們將在以后的文章中討論其原因。然而，在此之前，我們將研究E類(lèi)功率放大器設計的理想開(kāi)關(guān)電壓和電流波形。我們還將討論生成這些波形的實(shí)際約束。