E類功率放大器電路的結構、原理及及并聯電容的研究分析

引言

功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網絡的傳輸效率兩部分。功率放大器實質上是一個能量轉換器，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是集電極瞬時電壓與集電極瞬時電流在一個周期內的平均值。對于A、B、C類功率放大器來說，由于功率放大管工作于有源狀態，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的改進上。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。

另一種提高效率的途徑是使晶體管工作在開關狀態，即當ic流通時口vc很小，甚至趨近于零；當ic截止時，vc很大，從而達到減小集電極耗散功率Pc的目的。E類功率放大器就是按照“ic與vc不同時出現”的原理來設計的，使得在任一時刻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類功率放大器的電路結構。經過30多年的發展，E類放大器以其結構簡單、效率高、可設計性強等優點，得到了廣泛的應用，其理論效率可達100％，實際效率達95％。

在E類功率放大電路中，并聯電容的作用十分重要，它主要用來保證在晶體管截止的時間里，使集電極電壓保持十分低的一個值，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類功率放大器高效率工作的必要條件。因此E類功率放大器并聯電容的研究成為國內外的熱點問題。本文將分析E類功率放大器中的并聯電容及一些電路相關問題。

1、E類功率放大器電路結構

典型的E類功率放大器電路原理如圖1所示，其中SW為等效晶體管開關（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、并聯電容及分析

2.1 并聯電容

在E類功率放大器中，晶體管工作在開關狀態，當晶體管開關閉合時，集電極電壓理想情況下將為零，同時將產生較大的集電極電流；當開關斷開時，沒有集電極電流流過晶體管，但是存在集電極電壓，從而避免了晶體管電流、電壓的同時存在，減小晶體管在全開、全閉狀態下的功率耗損。晶體管并聯電容（C1）的作用是在晶體管由閉合到斷開的瞬間保持在0 V狀態下的集電極電壓口vc。

2.2 并聯電容對電路的影響

低頻狀態下工作時，并聯電容假設為一個恒定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當達到或超過900 MHz時，并聯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電容進行分析。

并聯電容包括兩部分：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類功率放大器中非線性電容的存在對電路產生了諸多不良影響，如增加流過晶體管的最大電壓、增加耗損、降低效率。并聯電容的電納會影響E類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系。當電納達到最大時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性并聯電容的函數關系。圖2為信號占空比為50％時，根據該函數關系的并聯電容與放大器最大頻率關系的曲線圖。

2.3 并聯電容計算方法

為了方便對非線性電容進行分析和計算，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α表示。

線性等效電容是一個恒定不變的電容（因此可認為是線性的），能夠代替非線性晶體管輸出寄生電容Cout（v），同時在晶體管開關閉合期間的最后時刻又能產生和使用非線性電容時相同的歸一化工作狀態（即在晶體管開關開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，可以采用傳統設計方法設計E類功率放大器，并且能達到同樣的目的。

形狀因子用來表征并聯電容C1的非線性程度，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，首先必須有一個完全線性的E類功率放大器電路，采用傳統功率放大器電路分析方法從中獲得線性并聯電容C1。用C1代替不是完全非線性的非線性電容，并通過不斷改變Cj0的值直到滿足最大工作效率狀態，即ZVS（zero-voltage switching）和ZVDS（zero-voltage-derivative switching）。此時得到的非線性電容值即為前文提到的線性等效電容。

3、 合并聯電容的E類功率放大器設計方法

由于并聯電容對放大器電路的影響，含并聯電容的E類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，通過計算滿足最優化工作狀態ZVS和ZVDS時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、負載品質因數的E類功率放大器的詳細設計流程圖，并給出了負載品質因數為5時的設計數值結果表，為廣大設計者提供了設計參考。

4 、結語

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

責任編輯：gt