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E类功率放大器电路的结构、原理及及并联电容的

小序

功率放大年夜器的效率包括放大年夜器件效率和输出收集的传输效率两部分。功率放大年夜器实质上是一个能量转换器,把电源提供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

式中:PDC为电源提供的直流功率;Pout为交流输出功率;Pc为耗损在集电极上的功率。注解要增大年夜ηc就要只管即便减小集电极耗散功率Pc。因为Pc是集电极瞬时电压与集电极瞬时电流在一个周期内的匀称值。对付A、B、C类功率放大年夜器来说,因为功率放大年夜督事情于有源状态,集电极电流ic和集电极电压vc都对照大年夜,因而,晶体管的集电极耗散功率也对照大年夜,放大年夜器的效率也就难以继承前进。功率放大年夜器效率的前进,主要反应在放大年夜器事情状态的改进上。A、B、C功率放大年夜器前进效率的道路因此减小导通角和增大年夜勉励功率为价值。

另一种前进效率的道路是使晶体督事情在开关状态,即当ic流畅时口vc很小,以致趋近于零;当ic截止时,vc很大年夜,从而达到减小集电极耗散功率Pc的目的。E类功率放大年夜器便是按照“ic与vc不应时呈现”的道理来设计的,使得在任一时候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类功率放大年夜器的电路布局。颠末30多年的成长,E类放大年夜器以其布局简单、效率高、可设计性强等优点,获得了广泛的利用,其理论效率可达100%,实际效率达95%。

在E类功率放大年夜电路中,并联电容的感化十分紧张,它主要用来包管在晶体管截止的光阴里,使集电极电压维持十分低的一个值,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类功率放大年夜器高效率事情的需要前提。是以E类功率放大年夜器并联电容的钻研成为国内外的热点问题。本文将阐发E类功率放大年夜器中的并联电容及一些电路相关问题。

1、E类功率放大年夜器电路布局

范例的E类功率放大年夜器电路道理如图1所示,此中SW为等效晶体管开关(可所以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,但并不谐振于勉励旌旗灯号的基频,R为等效负载电阻

2、并联电容及阐发

2.1 并联电容

在E类功率放大年夜器中,晶体督事情在开关状态,当晶体管开关闭应时,集电极电压抱负环境下将为零,同时将孕育发生较大年夜的集电极电流;当开关断开时,没有集电极电流流过晶体管,然则存在集电极电压,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、全闭状态下的功率淹灭。晶体管并联电容(C1)的感化是在晶体管由闭合到断开的瞬间维持在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

低频状态下事情时,并联电容假设为一个恒定不变的值。然则,跟着频率的赓续增添,当达到或跨越900 MHz时,并联电容大年夜小将和晶体管集电极——衬底之间的寄生电容大年夜小比拟拟。是以,必要对高频环境下的并联电容进行阐发。

并联电容包括两部分:一部分长短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

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

E类功率放大年夜器中非线性电容的存在对电路孕育发生了诸多不良影响,如增添流过晶体管的最大年夜电压、增添淹灭、低落效率。并联电容的电纳会影响E类功率放大年夜器效率能否达到100%。式(3)给出了放大年夜器频率和电容的函数关系。当电纳达到最大年夜时能包管功率放大年夜器理论效率为1

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

2.3 并联电容谋略措施

为了方便对非线性电容进行阐发和谋略,2000年A.Mediano等人提出了线性等效电容和外形因子的观点,分手用CEQ和α表示。

线性等效电容是一个恒定不变的电容(是以可觉得是线性的),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适时代的着末时候又能孕育发生和应用非线性电容时相同的归一化事情状态(即在晶体管开关开启瞬间集电极为零电压),并且维持放大年夜器其他元件的值。用这个等效电容取代非线性晶体管寄生输出电容后,可以采纳传统设计措施设计E类功率放大年夜器,并且能达到同样的目的。

外形因子用来表征并联电容C1的非线性程度,表达式为

图3所示为不合电源电压环境下等效电容的变更环境;图4为晶体管漏端电压波形受外形因子α的影响变更环境。

要谋略出准确的等效电容值,首先必须有一个完全线性的E类功率放大年夜器电路,采纳传统功率放大年夜器电路阐发措施从中得到线性并联电容C1。用C1代替不是完全非线性的非线性电容,并经由过程赓续改变Cj0的值直到满意最大年夜事情效率状态,即ZVS(zero-voltage switching)和ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此时获得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类功率放大年夜器设计措施

因为并联电容对放大年夜器电路的影响,含并联电容的E类功率放大年夜器设计措施与传统措施有所不合。在设计中必要充分斟酌并联电容的影响,在不合pn结渐变系数、不合旌旗灯号占空比等前提下,经由过程谋略满意最优化事情状态ZVS和ZVDS时放大年夜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,从而得到放大年夜器的设计参数。文献[5]给出了针对随意率性外形因子、旌旗灯号占空比、负载品德因数的E类功率放大年夜器的具体设计流程图,并给出了负载品德因数为5时的设计数值结果表,为广大年夜设计者供给了设计参考。

4 、结语

并联电容在E类功率放大年夜器中的感化十分紧张,受到了人们的广泛关注。本文对E类功率放大年夜器中的并联电容进行了具体的先容,并给出了谋略措施;对并联电容在E类功率放大年夜器中的感化进行了阐发,同时还给出了含并联电容的E类放大年夜器设计措施,以方便E类功率放大年夜器的设计。

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