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本文用于了解E類放大器如何在射頻頻率下提高D類放大器的效率。

為了提高D類放大器(Class D)的效率，其開關(guān)需要相對于操作頻率相當(dāng)快。隨著我們向越來越高的頻率邁進(jìn)，這變得越來越具有挑戰(zhàn)性。在D類射頻放大器中，開關(guān)間隔可能占操作周期的很大一部分。來自寄生電容的損耗也隨著頻率的增加而增加，從而帶來了進(jìn)一步的問題。

E類功率放大器有效地克服了這些挑戰(zhàn)。與D類放大器一樣，它們也是開關(guān)模式放大器。然而，它們的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)是專門設(shè)計(jì)的，以最小化開關(guān)損耗，并將來自并聯(lián)（晶體管輸出）電容的能量引導(dǎo)到負(fù)載。在本文中，我們將討論E類放大器的設(shè)計(jì)是如何避免D類放大器在高頻操作時(shí)的缺陷的。

D類和E類電路的對比

考慮圖1中所示的互補(bǔ)電壓切換D類放大器。

圖1. 節(jié)點(diǎn)A的寄生電容由Cp建模的互補(bǔ)電壓切換配置。

在上圖中，Cp 模擬了晶體管的寄生輸出電容。晶體管在交替的半周期內(nèi)開啟和關(guān)閉，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)A的電壓在VCC和地之間切換。每當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，Cp的充電和放電會導(dǎo)致一些能量作為熱量在開關(guān)的導(dǎo)通電阻中耗散。

例如，對于從VCC到地的轉(zhuǎn)換，晶體管Q2開啟并放電最初存儲在Cp中的電荷。這會在Q2的導(dǎo)通電阻中耗散一些能量。由于Cp的充電和放電而損失的總功率為：

其中 f 是放大器的開關(guān)頻率。

D類放大器的操作涉及Cp的充電和放電，但存儲在電容中的能量并未傳遞到負(fù)載。事實(shí)上，Cp的值根本不會影響輸出射頻功率——它從電源中汲取的功率都轉(zhuǎn)化為熱量而損失了。

相比之下，圖2顯示了最簡單的E類放大器的電路原理圖。

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圖2. 低階E類放大器的原理圖。

此電路中的晶體管被驅(qū)動為開關(guān)。射頻扼流圈（L1）為電源提供了一個直流路徑，并在射頻下近似為開路。L0 和 C0 形成了一個串聯(lián)調(diào)諧電路，將負(fù)載連接到晶體管的集電極。

在晶體管和C0之間是并聯(lián)電容（Csh）。并聯(lián)電容既包括在輸出端添加的電容器，也包括器件輸出的寄生電容。與D類放大器不同，存儲在此電容中的能量不會作為熱量耗散——相反，它被引導(dǎo)到負(fù)載。

正如我們將在本文后面看到的，Csh在E類放大器的操作中起著關(guān)鍵作用。然而，在此之前，我們需要理解有限開關(guān)速度的問題。只有這樣，我們才能討論E類功率放大器是如何處理這個問題的。

緩慢上升和下降時(shí)間對開關(guān)模式操作的影響

當(dāng)開關(guān)的驅(qū)動信號是理想的時(shí)，它們近似為具有陡峭邊緣的矩形波形。為了更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，我們應(yīng)該假設(shè)開關(guān)的電流和電壓波形是梯形而不是矩形。這在圖3中有所說明。

圖3. 實(shí)際開關(guān)的電流（上）和電壓（下）波形具有非零轉(zhuǎn)換間隔。

為了理解圖3中的波形，請回顧開關(guān)模式功率放大器的基本概念——即，將晶體管作為開關(guān)而非電流源操作會導(dǎo)致更高的效率。理想開關(guān)不耗散功率，因?yàn)樵谌魏螘r(shí)刻其電壓和電流的乘積都為零。當(dāng)開關(guān)開啟時(shí)，它沒有電壓降；當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，它沒有電流流動。由于晶體管不耗散功率，因此開關(guān)模式功率放大器的理論效率可以接近100%。

然而，在實(shí)際中，晶體管的狀態(tài)并不是瞬間變化的。在開關(guān)間隔期間，開關(guān)兩端的電壓和通過它的電流都是可觀的。由于非零的IV乘積，功率在晶體管中耗散，從而降低了放大器的效率。

E類放大器通過策略性地使電壓和電流切換轉(zhuǎn)換在時(shí)間上相互錯開，從而避免了這種情況。理想情況下，即使開關(guān)轉(zhuǎn)換占射頻周期的很大一部分，這也會導(dǎo)致晶體管中的功率耗散為零。這種時(shí)間偏移是通過仔細(xì)設(shè)計(jì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)（包括器件輸出端的并聯(lián)電容Csh （圖2中的））來實(shí)現(xiàn)的。在接下來的部分中，我們將研究這種設(shè)計(jì)是如何在開關(guān)關(guān)斷和開啟轉(zhuǎn)換期間消除開關(guān)損耗的。

消除開關(guān)關(guān)斷損耗

具有純阻性負(fù)載的電路將具有圖3中所示的開關(guān)電壓和電流波形，其中開關(guān)電流的變化會轉(zhuǎn)化為開關(guān)電壓的瞬時(shí)和比例變化。然而，如果我們向負(fù)載網(wǎng)絡(luò)中添加一個并聯(lián)電容器，我們可以預(yù)期開關(guān)電壓和電流波形的邊緣之間會有一些延遲。這是因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷鹤兓éc）與電容成反比，如方程2所示：

對于給定的電流（I），額外的電容（C）在給定的時(shí)間間隔（Δt）內(nèi)減小了ΔVc。因此，我們可以通過選擇一個足夠大的并聯(lián)電容器來產(chǎn)生所需的時(shí)間偏移。

圖4顯示了添加時(shí)間延遲如何影響圖3中的波形。

圖4. 通過將集電極電壓的上升延遲到開關(guān)電流降至零之后而產(chǎn)生的波形。

在圖4中，在開關(guān)的開啟到關(guān)閉轉(zhuǎn)換期間（T1和T3間隔），電壓和電流波形的非零部分沒有重疊。因此，在關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間，我們有IV=0，導(dǎo)致功率損失為零。然而，圍繞T2間隔（關(guān)閉到開啟轉(zhuǎn)換）的重疊實(shí)際上增加了。

顯然，僅僅引入延遲并不足以在兩組轉(zhuǎn)換期間都消除開關(guān)損耗。為了理解E類放大器如何在關(guān)閉到開啟轉(zhuǎn)換期間消除開關(guān)功率損耗，我們需要檢查開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)電路的情況。

消除開關(guān)開啟損耗

圖5顯示了開關(guān)關(guān)閉時(shí)E類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。

圖5. 開關(guān)關(guān)閉時(shí)E類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。

在開關(guān)關(guān)閉后，E類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)作為一個阻尼二階系統(tǒng)工作，其電感器（L0）和電容器（C0 and Csh）中存儲了一些初始能量。盡管在這個半周期內(nèi)沒有向負(fù)載網(wǎng)絡(luò)施加輸入，但系統(tǒng)中存儲的初始能量會引起瞬態(tài)響應(yīng)。由于 RL 耗散能量，瞬態(tài)響應(yīng)最終會消失。

為了深入了解負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，讓我們使用圖6中的LTspice原理圖。請注意，此電路的初始條件和組件值都是任意選擇的。

圖6. 用于檢查具有一些初始條件的串聯(lián)RLC電路響應(yīng)的LTspice原理圖。

從我們的電路理論課程中，我們知道組件的值可以導(dǎo)致三種不同的瞬態(tài)響應(yīng)類型：

* 過阻尼。

* 臨界阻尼。

* 欠阻尼。

圖7顯示了對于三個不同的RL值，電容器（C1）兩端電壓的時(shí)間響應(yīng)，這使我們能夠檢查所有三個阻尼級別。

圖7. 對于RL=10Ω、20Ω和30Ω，串聯(lián)RLC電路的響應(yīng)。

盡管響應(yīng)的形狀取決于組件值，但RL的存在確保了最終的電容器電壓為零。如果我們功率放大器中開關(guān)的關(guān)閉半周期足夠長，當(dāng)開關(guān)開啟時(shí)，電容器電壓實(shí)際上會降低到0V。與圖4中所示的假設(shè)情況不同，這自動消除了關(guān)閉到開啟轉(zhuǎn)換期間開關(guān)電流和電壓波形之間的重疊。

圖8顯示了E類放大器的典型（盡管不是理想的）開關(guān)波形。

圖8. E類放大器的典型開關(guān)電流（上）和電壓（下）波形。

總結(jié)

為了獲得最佳性能，E類放大器中的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)計(jì)為產(chǎn)生臨界阻尼響應(yīng)。我們將在未來的文章中討論其原因。然而，在此之前，我們將研究E類功率放大器設(shè)計(jì)的理想開關(guān)電壓和電流波形。我們還將討論生成這些波形的實(shí)際約束。

來源：EETOP編譯自allaboutcircuits

原文：

https://www.allaboutcircuits.com/technical-articles/introduction-to-the-class-e-power-amplifier