射頻E類(lèi)功率放大器并聯(lián)電容技術(shù)

0 引言

功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網(wǎng)絡(luò )的傳輸效率兩部分。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉換器，把電源供給的直流能量轉換為交流能量。晶體管轉換能量的能力常用集電極效率ηc來(lái)表示，定義為

式 中：PDC為電源供給的直流功率；Pout為交流輸出功率；Pc為消耗在集電極上的功率。表明要增大ηc就要盡量減小集電極耗散功率Pc。由于Pc是集電 極瞬時(shí)電壓與集電極瞬時(shí)電流在一個(gè)周期內的平均值。對于A(yíng)、B、C類(lèi)功率放大器來(lái)說(shuō)，由于功率放大管工作于有源狀態(tài)，集電極電流ic和集電極電壓vc都比 較大，因而，晶體管的集電極耗散功率也比較大，放大器的效率也就難以繼續提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作狀態(tài)的改進(jìn)上。A、B、C功率 放大器提高效率的途徑是以減小導通角和增大激勵功率為代價(jià)。

另一種提高效率的途徑是使晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即當ic流通時(shí)口vc很小，甚 至趨近于零；當ic截止時(shí)，vc很大，從而達到減小集電極耗散功率Pc的目的。E類(lèi)功率放大器就是按照“ic與vc不同時(shí)出現”的原理來(lái)設計的，使得在任 一時(shí)刻ic與vc的乘積均為零，Pc亦為零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E類(lèi)功率放大器的電路結構。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，E類(lèi)放大器以其結構簡(jiǎn)單、效率高、可設計性強等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣 泛的應用，其理論效率可達100％，實(shí)際效率達95％。

在E類(lèi)功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來(lái)保證在晶體管截止的時(shí)間里，使集電極電壓保持十分低的一個(gè)值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是E類(lèi)功率放大器高效率工作的必要條件。因此E類(lèi)功率放大器并 聯(lián)電容的研究成為國內外的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將分析E類(lèi)功率放大器中的并聯(lián)電容及一些電路相關(guān)問(wèn)題。

1 E類(lèi)功率放大器電路結構

典型的E類(lèi)功率放大器電路原理如圖1所示，其中SW為等效晶體管開(kāi)關(guān)(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout為晶體管寄生輸出電容，Cext為附加電容，L1為高頻扼流圈，L2，C2為串聯(lián)諧振回路，但并不諧振于激勵信號的基頻，R為等效負載電阻。

2 并聯(lián)電容及分析

2.1 并聯(lián)電容

在 E類(lèi)功率放大器中，晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，當晶體管開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，集電極電壓理想情況下將為零，同時(shí)將產(chǎn)生較大的集電極電流；當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，沒(méi)有集電極電流 流過(guò)晶體管，但是存在集電極電壓，從而避免了晶體管電流、電壓的同時(shí)存在，減小晶體管在全開(kāi)、全閉狀態(tài)下的功率耗損。晶體管并聯(lián)電容(C1)的作用是在晶 體管由閉合到斷開(kāi)的瞬間保持在0 V狀態(tài)下的集電極電壓口vc。

2.2 并聯(lián)電容對電路的影響

低頻狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電容假設為一個(gè)恒定不變的值。但是，隨著(zhù)頻率的不斷增加，當達到或超過(guò)900 MHz時(shí)，并聯(lián)電容大小將和晶體管集電極——襯底之間的寄生電容大小相比擬。因此，需要對高頻情況下的并聯(lián)電容進(jìn)行分析。

并聯(lián)電容包括兩部分：一部分是非線(xiàn)性晶體管寄生輸出電容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是線(xiàn)性附加電容Cext

式中：Cj0為零偏壓時(shí)的電容；Vbi是晶體管內建電勢(通常為0.5～0.9 V)；n為pn結的結漸變系數。

E類(lèi)功率放大器中非線(xiàn)性電容的存在對電路產(chǎn)生了諸多不良影響，如增加流過(guò)晶體管的最大電壓、增加耗損、降低效率。并聯(lián)電容的電納會(huì )影響E類(lèi)功率放大器效率能否達到100％。式(3)給出了放大器頻率和電容的函數關(guān)系。當電納達到最大時(shí)能保證功率放大器理論效率為1

式中：y為功率放大器導通角；Bmax為最大電納；R為輸出負載。從上式可以看出，放大器最大頻率和線(xiàn)性并聯(lián)電容的函數關(guān)系。圖2為信號占空比為50％時(shí)，根據該函數關(guān)系的并聯(lián)電容與放大器最大頻率關(guān)系的曲線(xiàn)圖。

2.3 并聯(lián)電容計算方法

為了方便對非線(xiàn)性電容進(jìn)行分析和計算，2000年A.Mediano等人提出了線(xiàn)性等效電容和形狀因子的概念，分別用CEQ和α表示。

線(xiàn) 性等效電容是一個(gè)恒定不變的電容(因此可認為是線(xiàn)性的)，能夠代替非線(xiàn)性晶體管輸出寄生電容Cout(v)，同時(shí)在晶體管開(kāi)關(guān)閉合期間的最后時(shí)刻又能產(chǎn)生 和使用非線(xiàn)性電容時(shí)相同的歸一化工作狀態(tài)(即在晶體管開(kāi)關(guān)開(kāi)啟瞬間集電極為零電壓)，并且保持放大器其他元件的值。用這個(gè)等效電容取代非線(xiàn)性晶體管寄生輸 出電容后，可以采用傳統設計方法設計E類(lèi)功率放大器，并且能達到同樣的目的。

形狀因子用來(lái)表征并聯(lián)電容C1的非線(xiàn)性程度，表達式為

當α=0時(shí)，C1為線(xiàn)性；α=1時(shí)，放大器并聯(lián)電容完全由非線(xiàn)性晶體管輸出寄生電容Cout(v)構成。

為了計算這個(gè)等效電容，需要知道器件的輸出電容與電壓的關(guān)系。因此，每一個(gè)影響VD(t)的放大器參數都會(huì )同樣影響Cout(v)。因此，電源電壓和形狀因子在對CEQ的影響上起著(zhù)重要作用，表達式為

圖3所示為不同電源電壓情況下等效電容的變化情況；圖4為晶體管漏端電壓波形受形狀因子α的影響變化情況。

要 計算出準確的等效電容值，首先必須有一個(gè)完全線(xiàn)性的E類(lèi)功率放大器電路，采用傳統功率放大器電路分析方法從中獲得線(xiàn)性并聯(lián)電容C1。用C1代替不是完全非 線(xiàn)性的非線(xiàn)性電容，并通過(guò)不斷改變Cj0的值直到滿(mǎn)足最大工作效率狀態(tài)，即ZVS(zero-voltage switching)和ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此時(shí)得到的非線(xiàn)性電容值即為前文提到的線(xiàn)性等效電容。

3 合并聯(lián)電容的E類(lèi)功率放大器設計方法

由 于并聯(lián)電容對放大器電路的影響，含并聯(lián)電容的E類(lèi)功率放大器設計方法與傳統方法有所不同。在設計中需要充分考慮并聯(lián)電容的影響，在不同pn結漸變系數、不 同信號占空比等條件下，通過(guò)計算滿(mǎn)足最優(yōu)化工作狀態(tài)ZVS和ZVDS時(shí)放大器的電路元件參數值，如附加電容、諧振電容和電感、補償電抗、負載等，從而獲得 放大器的設計參數。文獻[5]給出了針對任意形狀因子、信號占空比、負載品質(zhì)因數的E類(lèi)功率放大器的詳細設計流程圖，并給出了負載品質(zhì)因數為5時(shí)的設計數 值結果表，為廣大設計者提供了設計參考。

4 結語(yǔ)

并聯(lián)電容在E類(lèi)功率放大器中的作用十分重要，受到了人們的廣泛關(guān)注。本文對E類(lèi)功率放大器中的并聯(lián)電容進(jìn)行了詳細的介紹，并給出了計算方法；對并聯(lián)電容在E類(lèi)功率放大器中的作用進(jìn)行了分析，同時(shí)還給出了含并聯(lián)電容的E類(lèi)放大器設計方法，以方便E類(lèi)功率放大器的設計。