E類(lèi)功率放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理及及并聯(lián)電容的分析分析

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 E類(lèi)功率放大器電路的結(jié)構(gòu)、原理及及并聯(lián)電容的分析分析 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(zhuǎn)換器，把電源供應(yīng)的直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量。晶體管轉(zhuǎn)換能量的能力常用集電極效率c來(lái)表示，定義為 式中：PDC為電源供應(yīng)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。說(shuō)明要增大c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(nèi)的平均值。對(duì)于A、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

2、較大，放大器的效率也就難以繼續(xù)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)的改良上。A、B、C功率放大器提高效率的途徑是以減小導(dǎo)通角和增大激勵(lì)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(dāng)ic流通時(shí)口vc很小，甚至趨近于零；當(dāng)ic截止時(shí)，vc很大，從而到達(dá)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(xiàn)”的原理來(lái)設(shè)計(jì)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)功率放大器的電路構(gòu)造。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，E類(lèi)放大器以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，其

3、理論效率可達(dá)100，實(shí)際效率達(dá)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(guó)內(nèi)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)功率放大器電路構(gòu)造 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(lì)

4、信號(hào)的基頻，R為等效負(fù)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(dāng)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(dāng)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，從而防止了晶體管電流、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(duì)電路的影響 低頻狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電容假設(shè)為一個(gè)恒定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)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

5、電容大小相比較。因此，需要對(duì)高頻情況下的并聯(lián)電容開(kāi)展分析。 并聯(lián)電容包括兩部分：一部分是非線性晶體管寄生輸出電容Cout（v），如式（2）所示，另一部分是線性附加電容Cext 式中：Cj0為零偏壓時(shí)的電容；Vbi是晶體管內(nèi)建電勢(shì)（通常為0.50.9 V）；n為pn結(jié)的結(jié)漸變系數(shù)。 E類(lèi)功率放大器中非線性電容的存在對(duì)電路產(chǎn)生了諸多不良影響，如增加流過(guò)晶體管的電壓、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到達(dá)100。式（3）給出了放大器頻率和電容的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)電納到達(dá)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(dǎo)通角；Bmax為電納；R為輸出負(fù)載。從上式可以看出，放大

6、器頻率和線性并聯(lián)電容的函數(shù)關(guān)系。圖2為信號(hào)占空比為50時(shí)，根據(jù)該函數(shù)關(guān)系的并聯(lián)電容與放大器頻率關(guān)系的曲線圖。 2.3 并聯(lián)電容計(jì)算方法 為了方便對(duì)非線性電容開(kāi)展分析和計(jì)算，2000年A.Mediano等人提出了線性等效電容和形狀因子的概念，分別用CEQ和表示。 線性等效電容是一個(gè)恒定不變的電容（因此可認(rèn)為是線性的），能夠代替非線性晶體管輸出寄生電容Cout（v），同時(shí)在晶體管開(kāi)關(guān)閉合期間的時(shí)刻又能產(chǎn)生和使用非線性電容時(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)等效電容取代非線性晶體管寄生輸出電容后，可以采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)E類(lèi)功率放大器，并

7、且能到達(dá)同樣的目的。 形狀因子用來(lái)表征并聯(lián)電容C1的非線性程度，表達(dá)式為 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的影響變化情況。 要計(jì)算出準(zhǔn)確的等效電容值，首先必須有一個(gè)完全線性的E類(lèi)功率放大器電路，采用傳統(tǒng)功率放大器電路分析方法從中獲得線性并聯(lián)電容C1。用C1代替不是完全非線性的非線性電容，并通過(guò)不斷改變Cj0的值直到滿(mǎn)足工作效率狀態(tài)，即ZVS（zero-voltage switching）和ZVDS（zero-voltage-derivative switching）。此時(shí)得到的非線性電容值即為前文提到的線性等效電容。 3、 合并聯(lián)電容的E類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)方法 由于并聯(lián)電容對(duì)放大器電路的影響，含并聯(lián)電容的E類(lèi)功率放大器設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法有所不同。在設(shè)計(jì)中需要充分考慮并聯(lián)電容的影響，在不同pn結(jié)漸變系數(shù)、不同信號(hào)占空比等條件下，通過(guò)計(jì)算滿(mǎn)足化工作狀態(tài)ZVS和ZVDS時(shí)放大器的電路元件參數(shù)值，