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E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

2020-06-02 11:27 来源:互联网 编辑:咩咩

写在前面

功率放大器的效率包括放大器件效率和输出网络的传输效率两部分。功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直流能量转换为交流能量。晶体管转换能量的能力常用集电极效率ηc 来表示,定义为

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

式中:PDC 为电源供给的直流功率;Pout 为交流输出功率;Pc 为消耗在集电极上的功率。表明要增大ηc 就要尽量减小集电极耗散功率 Pc。由于 Pc 是集电极瞬时电压与集电极瞬时电流在一个周期内的平均值。对于 A、B、C 类功率放大器来说,由于功率放大管工作于有源状态,集电极电流 ic 和集电极电压 vc 都比较大,因而,晶体管的集电极耗散功率也比较大,放大器的效率也就难以继续提高。功率放大器效率的提高,主要反映在放大器工作状态的改进上。A、B、C 功率放大器提高效率的途径是以减小导通角和增大激励功率为代价。

另一种提高效率的途径是使晶体管工作在开关状态,即当 ic 流通时口 vc 很小,甚至趋近于零;当 ic 截止时,vc 很大,从而达到减小集电极耗散功率 Pc 的目的。E 类功率放大器就是按照“ic 与 vc 不同时出现”的原理来设计的,使得在任一时刻 ic 与 vc 的乘积均为零,Pc 亦为零。1975 年 N.O. Sokal 和 A.D.Sokal 首次提出了 E 类功率放大器的电路结构。经过 30 多年的发展,E 类放大器以其结构简单、效率高、可设计性强等优点,得到了广泛的应用,其理论效率可达 100%,实际效率达 95%。

在 E 类功率放大电路中,并联电容的作用十分重要,它主要用来保证在晶体管截止的时间里,使集电极电压保持十分低的一个值,直到集电极电流减小到零为止。集电极电压的延迟上升,是 E 类功率放大器高效率工作的必要条件。因此 E 类功率放大器并联电容的研究成为国内外的热点问题。本文将分析 E 类功率放大器中的并联电容及一些电路相关问题。

1、E 类功率放大器电路结构

典型的 E 类功率放大器电路原理如图 1 所示,其中 SW 为等效晶体管开关(可以是 BJT、HBT 或 MOSFET 等器件),Cout 为晶体管寄生输出电容,Cext 为附加电容,L1 为高频扼流圈,L2,C2 为串联谐振回路,但并不谐振于激励信号的基频,R 为等效负载电阻。

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

2、并联电容及分析

2.1 并联电容

在 E 类功率放大器中,晶体管工作在开关状态,当晶体管开关闭合时,集电极电压理想情况下将为零,同时将产生较大的集电极电流;当开关断开时,没有集电极电流流过晶体管,但是存在集电极电压,从而避免了晶体管电流、电压的同时存在,减小晶体管在全开、全闭状态下的功率耗损。晶体管并联电容(C1)的作用是在晶体管由闭合到断开的瞬间保持在 0 V 状态下的集电极电压口 vc。

2.2 并联电容对电路的影响

低频状态下工作时,并联电容假设为一个恒定不变的值。但是,随着频率的不断增加,当达到或超过 900 MHz 时,并联电容大小将和晶体管集电极——衬底之间的寄生电容大小相比拟。因此,需要对高频情况下的并联电容进行分析。

并联电容包括两部分:一部分是非线性晶体管寄生输出电容 Cout(v),如式(2)所示,另一部分是线性附加电容 Cext

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

式中:Cj0 为零偏压时的电容;Vbi 是晶体管内建电势(通常为 0.5~0.9 V);n 为 pn 结的结渐变系数。

E 类功率放大器中非线性电容的存在对电路产生了诸多不良影响,如增加流过晶体管的最大电压、增加耗损、降低效率。并联电容的电纳会影响 E 类功率放大器效率能否达到 100%。式(3)给出了放大器频率和电容的函数关系。当电纳达到最大时能保证功率放大器理论效率为 1

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

式中:y 为功率放大器导通角;Bmax 为最大电纳;R 为输出负载。从上式可以看出,放大器最大频率和线性并联电容的函数关系。图 2 为信号占空比为 50%时,根据该函数关系的并联电容与放大器最大频率关系的曲线图。

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

2.3 并联电容计算方法

为了方便对非线性电容进行分析和计算,2000 年 A.Mediano 等人提出了线性等效电容和形状因子的概念,分别用 CEQ 和α表示。

线性等效电容是一个恒定不变的电容(因此可认为是线性的),能够代替非线性晶体管输出寄生电容 Cout(v),同时在晶体管开关闭合期间的最后时刻又能产生和使用非线性电容时相同的归一化工作状态(即在晶体管开关开启瞬间集电极为零电压),并且保持放大器其他元件的值。用这个等效电容取代非线性晶体管寄生输出电容后,可以采用传统设计方法设计 E 类功率放大器,并且能达到同样的目的。

形状因子用来表征并联电容 C1 的非线性程度,表达式为

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

图 3 所示为不同电源电压情况下等效电容的变化情况;图 4 为晶体管漏端电压波形受形状因子α的影响变化情况。

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

E类功率放大器与并联电容如何进行分析和设计?

要计算出准确的等效电容值,首先必须有一个完全线性的 E 类功率放大器电路,采用传统功率放大器电路分析方法从中获得线性并联电容 C1。用 C1 代替不是完全非线性的非线性电容,并通过不断改变 Cj0 的值直到满足最大工作效率状态,即 ZVS(zero-voltage switching)和 ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此时得到的非线性电容值即为前文提到的线性等效电容。

3、 合并联电容的 E 类功率放大器设计方法

由于并联电容对放大器电路的影响,含并联电容的 E 类功率放大器设计方法与传统方法有所不同。在设计中需要充分考虑并联电容的影响,在不同 pn 结渐变系数、不同信号占空比等条件下,通过计算满足最优化工作状态 ZVS 和 ZVDS 时放大器的电路元件参数值,如附加电容、谐振电容和电感、补偿电抗、负载等,从而获得放大器的设计参数。文献[5]给出了针对任意形状因子、信号占空比、负载品质因数的 E 类功率放大器的详细设计流程图,并给出了负载品质因数为 5 时的设计数值结果表,为广大设计者提供了设计参考。

4 、结语

并联电容在 E 类功率放大器中的作用十分重要,受到了人们的广泛关注。本文对 E 类功率放大器中的并联电容进行了详细的介绍,并给出了计算方法;对并联电容在 E 类功率放大器中的作用进行了分析,同时还给出了含并联电容的 E 类放大器设计方法,以方便 E 类功率放大器的设计。

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