了解變壓器耦合電流開關D類放大器

在本文中，我們將學習變壓器耦合電流開關D類放大器。一旦我們了解了它的操作，我們將把它的性能與兩種電壓開關D類配置進行比較。

本系列的前一篇文章介紹了變壓器耦合電壓開關（TCVS）D類放大器。在本文中，我們將了解另一種變壓器耦合的D類配置——變壓器耦合電流開關（TCCS）放大器。我們將介紹其工作原理，分析其性能，并通過一個例子來確定給定負載和輸出功率的電路參數。

TCCS電路是我們將在本系列中介紹的最后一個D類放大器。因此，我們將通過比較我們討論過的不同D類配置（包括TCCS放大器）的要求來結束本文。

TCCS配置

圖1顯示了TCCS放大器的示意圖。

變壓器耦合電流開關D類放大器示意圖。

圖1.變壓器耦合電流開關D類放大器

上一篇文章中的TCVS示意圖如圖2所示。讓我們簡要地回顧一下這兩個放大器之間的異同。

變壓器耦合電壓開關D類放大器示意圖。

圖2.變壓器耦合電壓開關（TCVS）D類放大器

我們將從相似之處開始。兩個放大器都使用中心抽頭輸入變壓器（T2）從輸入信號中產生相反極性的信號。T2的中心抽頭接地；T2次級處的相反極性信號用于驅動兩個晶體管（Q1和Q2）足夠硬，使其充當開關。Q1和Q2在輸入信號的交替半周期上工作。

這兩個電路還使用輸出變壓器（T1）來組合集電極電流。然而，在TCVS配置中，T1的中心抽頭直接連接到電源（VCC）。TCCS放大器通過RF扼流圈（RFC）將中心抽頭連接到VCC。射頻扼流圈在開關頻率下具有無窮大的電抗，可阻斷交流電流，并迫使恒定電流進入變壓器中心抽頭。

T1的中心抽頭是兩種配置之間的兩個主要區別之一。第二個區別是負載網絡。與使用串聯RLC電路作為負載的電壓開關裝置不同，電流開關放大器在輸出端具有并聯RLC網絡。

TCCS放大器的操作

在每個半周期的操作中，RF扼流圈迫使電流（Idc）進入輸出變壓器（T1）的中心抽頭。然后，它通過兩個開關（晶體管Q1和Q2）中的一個，然后到達地。

圖3和圖4中的簡化圖說明了TCCS放大器在兩個連續半周期內的操作。理想開關S1和S2分別代替Q1和Q2。

當Q1打開而Q2關閉時，TCCS放大器。

圖3.當S1關閉而S2打開時（Q1打開，Q2關閉），TCCS放大器

當Q1關閉而Q2打開時，TCCS放大器。

圖4當S1打開而S2關閉時（Q1關閉，Q2打開），TCCS放大器

在圖3中，S1關閉，S2打開。Idc因此通過S1（i1=Idc）。由于S2是開路的，因此沒有電流可以流過下路徑（i2=0）。在下一個半周期（圖4）中，S1打開，S2關閉，導致i1=0和i2=Idc。假設在前半個周期中S1打開，S2關閉，我們得到了圖5中的電流波形。

兩個完整操作周期內集電極電流的波形。

圖5.i1和i2在兩個完整操作周期內的電流波形

正如我們所看到的，集電極電流（i1和i2）是在0和Idc之間切換的方波。請注意，Idc仍然是一個未知參數——在分析結束之前，我們無法找到它的值。目前，我們需要確定流經T1次級線圈的電流。該電流在上圖中用i3表示。

根據半周期，扼流圈輸送的電流通過初級繞組的上半部分或下半部分。因此，由于變壓器的作用，次級繞組中的電流幅度為（m/n）Idc。然而，該電流的方向在半周期之間交替。圖6顯示了i3在兩個完整運行周期內的電流波形。

兩個操作周期內的次級電流波形。

圖6.兩個操作周期內的次級電流波形

為了理解i3為什么在（m/n）Idc和–（m/n”Idc之間切換，我們需要在電路圖的背景下考慮圖5的集電極電流波形。在前半個周期中，扼流圈輸送的電流通過初級繞組的下半部分。由于它進入初級繞組的虛線端，次級電流離開虛線端，導致i3=（m/n）Idc。

然而，在下一個半周期中，扼流圈的電流流過初級繞組的上半部分。由于初級電流離開該繞組的虛線端，輸出電流進入次級繞組的虛線一端。因此，我們有i3=–（m/n）Idc。

TCCS放大器性能分析

50%占空比的方波包含所有奇次諧波（1、3、5等）。使用傅里葉級數表示法，我們可以根據其組成頻率分量來表示圖6中的方波電流：

方程式1

電流開關電路將所有這些諧波分量的總和應用于負載網絡。然而，調諧到開關頻率的高Q并聯RLC電路對除基波分量外的所有電流頻率分量都呈現出非常小的阻抗。在基頻下，RLC電路表現出RL的電阻。因此，所有輸出電流諧波都被短路，只有基波分量流入負載電阻器（RL）。

將通過RL的電流表示為iout，我們有：

方程式2

iout的峰值等于

  $\frac{4}{\pi }\frac{m}{n}{I}_{dc}$

iout的RMS值（irms）等于峰值除以2的平方根。知道這一點后，我們現在可以計算出輸入到負載的平均功率：

方程式3

問題是我們仍然不知道Idc，也就是流經扼流圈的電流。在我們這樣做之前，方程3對我們沒有用。要找到Idc，我們需要進一步研究電路。

計算通過射頻扼流圈的電流

假設射頻扼流圈是理想的。既然如此，它兩端就沒有直流電壓降。因此，輸出變壓器中心抽頭處電壓的直流分量等于VCC。這條信息對于找到Idc至關重要。

為了找到變壓器中心抽頭的電壓波形，我們首先使用方程式2來確定變壓器次級繞組兩端的電壓：

方程式4

由于變壓器的電壓縮放功能，因此初級繞組每段上的電壓為：

方程式5

圖7提供了前半周期（Q1:OFF，Q2:ON）電路的簡化圖。相關電壓量（vout和vp）以紫色顯示。

Q1關斷且Q2接通時的電壓。

圖7.Q1關斷且Q2接通時的電壓

考慮上圖中的節點C、D和E。節點C和D分別位于Q1和Q2的集電極處。節點E出現在T1的中心抽頭處。在這個半周期中，節點電壓如下：

vC = 2vp

vD = 0

vE = vp

注意，節點E和C具有正弦電壓。

圖8顯示了下一個半周期（Q1:ON和Q2:OFF）。

Q1接通而Q2斷開時的電壓。

圖8.Q1接通而Q2斷開時的電壓

對于這個半周期，節點電壓為：

vC = 0

vD = –2vp

vE = –vp

在這個半周期內，節點E和D處的電壓是正弦曲線。然而，它們相對于vp和vout是顛倒的。

圖9顯示了這些節點在一個完整操作周期內的電壓波形以及輸出。

從上到下：輸出端、節點D、節點C和節點E的電壓波形。

圖9.從上到下：輸出端、節點D、節點C和節點E的電壓波形

在上圖中，A1和A2分別是vout和vE的振幅。A1只是方程式4中vout的峰值：

方程式6

根據半周期的不同，vE等于vp或-vp。從方程5中取vp的峰值，我們得到：

方程式7

振幅為A2的全波整流正弦波具有2A2/π的直流分量。因此，vE的平均分量為：

方程式8

我們之前提到，輸出變壓器中心抽頭（節點E）處的電壓的平均分量是VCC。用VCC代替上述方程中的vE，ave，我們可以求解Idc：

方程式9

最后，通過將方程9中的Idc代入方程3，我們得到輸出功率：

方程式10

現在我們知道Idc，我們還可以找到集電極最大電壓的簡單方程。在圖9中，我們看到vC和vD——兩個集電極電壓——都有2A2的峰值。結合方程式9和7得出：

方程式11

晶體管兩端的最大電壓降為2A2=πVCC。

我們現在可以找到TCCS放大器的效率了。這是我們繼續之前要檢查的最后一個性能參數。

計算效率

通過比較輸出功率和輸入功率來計算效率。我們從方程式10中知道輸出功率。至于輸入功率，它等于電源電壓（VCC）乘以電源電流的平均值（Idc）。因此，根據方程式9，輸入功率為：

方程式12

這與輸送到負載的功率相同，這意味著該放大器的理論效率為100%。請注意，這是理想的效率。在實踐中，電路的效率可能會因非理想性而降低，例如與集電極引線串聯的寄生電感。

示例：確定TCCS放大器的最大晶體管電壓和電流

現在我們已經完成了分析，讓我們找到向50Ω負載提供20 W功率的TCCS電路的電源電壓、最大開關電流和最大開關電壓。為簡單起見，我們假設匝數比（n/m）為1。

我們知道PL=20，RL=50，n/m。為了找到電源電壓（VCC），我們首先將這些數字代入方程10：

方程式13

然后我們求解VCC：

方程式14

接下來，讓我們計算最大開關電流。從圖5中可以看出，這等于Idc。方程式9得出：

方程式15

最后，我們從圖9中知道，每個開關晶體管集電極-發射極之間的最大電壓為2A2。應用方程式11，我們得到：

方程式16

為了向50Ω負載提供20 W的功率，TCCS放大器需要28.47 V的電源電壓。其晶體管必須能夠承受0.7 a的最大開關電流和89.44 V的最大集電極-發射極電壓。

哪種D類放大器性能最好？

我們之前對TCVS放大器和基本電壓開關D類放大器進行了相同的示例。表1總結了TCCS放大器的結果。所有三個電路都設計為向50Ω負載提供20 W。

表1.對三種不同的D類配置的要求，以向50Ω負載提供20 W

根據這些數據，這三種配置是如何相互疊加的？

基本電壓切換D類放大器需要比變壓器耦合配置中的任何一種都高得多的電源電壓。其晶體管必須處理與TCVS放大器相同的最大電流和電壓。與TCVS電路相比，TCCS裝置需要較低的電源電壓和最大開關電流。然而，它增加了晶體管集電極-發射極之間的電壓應力。

TCVS和TCCS電路提供了相當的性能——這里似乎沒有絕對的贏家。根據電源電壓和可用的晶體管參數，任何一種配置都可能是正確的選擇。請注意，晶體管的工作頻率是應該考慮的參數之一——在方波集電極電流的情況下，晶體管需要更快地切換。

總結

本文研究了變壓器耦合電流開關D類放大器的操作和性能。這是我們將討論的最終D類配置。在下一篇文章中，我們將研究D類功率放大器的一些局限性，并解釋E類放大器如何解決這些局限性。