如何調諧E類放大器

在這篇文章中，我們討論了一種專門為E類射頻放大器設計的調諧方法。

在之前的文章中，我們深入研究了E類放大器的理論工作原理。我們還討論了幾個非理想性，例如實際晶體管的非零開關時間，這些非理想性會導致與這一理論理想的偏差。實用的E類放大器還必須考慮電子元件的容差和電路中寄生元件的存在。否則，這些影響將導致放大器失諧，從而導致性能下降。

雖然我們不能完全消除組件的非理想性，但可以糾正它們。在本文中，我們將探索一種專門為E類放大器設計的成熟調諧方法。即使不知道負載網絡組件的精確值，我們也可以使用此過程微調組件值以獲得最佳性能。

優化放大器性能的調諧

圖1顯示了E級的基本拓撲結構。

圖1基本E類放大器示意圖。圖片由Steve Arar提供

為了確定該電路的元件值，我們使用本系列文章前面介紹的設計方程。盡管E類放大器對電路參數的變化有一定的彈性，但我們仍然應該計劃調諧元件值以獲得最佳性能。圖2對比了正確調諧和失諧放大器的典型開關波形。 

圖2 用于最佳操作和失諧E類放大器的典型開關波形。調諧不當的情況用“一般”表示。圖片由F.Raab提供

最佳波形具有以下特征：

當開關打開時，其兩端的電壓為零。

在開關接通的瞬間，開關電壓的斜率為零。

開關占空比為50%。

當這些條件不滿足時，我們通過重新調諧放大器來獲得最佳操作。在接下來的部分中，我們將討論如何做到（和不做到）這一點。

尋找可靠的調諧指標

我們不能使用直流輸入功率（Pin）或射頻輸出功率（Pout）作為調諧E類放大器的指標。要理解為什么不，我們首先需要考慮放大器負載網絡的阻抗相位角（?）。我們也可以將其稱為負載角。

對于最佳的E類放大器，串聯RLC電路在基頻下的有效阻抗由下式給出：

方程式1

由此我們觀察到，最佳載荷角為?=tan-1（1.1525）=49.052度。

接下來，讓我們看看Pin、Pout和效率（η）如何隨負載角度而變化。這些關系如圖3所示。注意，在該圖中，輸入功率和輸出功率由Pi和Po表示。

圖3上圖：效率與負載角度的函數關系。底圖：輸入功率和輸出功率隨負載角度的變化。圖片由F.Raab提供

該圖顯示，η、Pin和Pout的最大值出現在不同的負載角度值處：

效率（η）在?=49度和65度時達到最大值。

直流輸入功率（Pin）在?=-5度時達到最大值。

射頻輸出功率（Pout）在?=10度時達到最大值。

在這三個參數中，只有效率的最大值接近最佳負載角度（?=49.052度）。由此可以明顯看出，我們不能使用Pin或Pout作為調諧指標。

我們可以通過測量Pin和Pout來確定集電極效率，然后使用這些信息來調諧放大器。然而，這種方法既繁瑣又相對不切實際。

相反，我們將討論一種基于分析開關電壓波形的E類放大器的既定調諧方法。這種方法使我們能夠在不知道負載網絡中組件值或寄生元件的確切值的情況下構建最佳的E類放大器。

電路參數的變化會改變開關電壓波形

對于調諧不當的放大器，開關兩端的電壓有峰值和谷值，如圖4所示。

圖4 調諧不當放大器的典型開關電壓波形。圖片由N.O.Sokal提供

如果我們改變以下電路元件的值，則槽的位置會以可預測的方式發生變化：

分流電容器（Csh）。

RLC電路的電容器（C0）。

RLC電路的電感器（L0）。

負載電阻器（RL）。

如圖5所示。

當我們改變分流電容、串聯電容和串聯電感時，槽的位置也會發生變化。

圖5 當我們改變Csh、L0和C0時，波谷的位置也會發生變化。圖片由Steve Arar提供

總結上圖：

增加Csh會使波形的波谷向上和向右移動。

增加C0和L0會使波谷向下向右移動。

增加RL會使波谷向上移動。

請注意，RL通常不是RF電路的可調參數。為了完整起見，它包含在上面。相反，我們通過調諧L0、C0和Csh的值來調諧放大器。

調諧程序

現在我們知道要調諧哪些參數了，我們就可以完成調優過程了。讓我們一步步來。

步驟1：確定串聯電感

對于給定的負載電阻（RL）和Q因子，我們使用以下關系選擇合適的電感（L0）：

方程式2

其中ω是角頻率。我們將假設RL、L0和操作頻率在整個調諧過程中保持其標稱值。

步驟2：調諧電源電壓和占空比

完成步驟1后，我們向電路施加低直流電源電壓（約4V），并將占空比調諧為50%。使用低電源電壓的想法是在調諧放大器時防止損壞晶體管。失諧放大器可能會產生過高的集電極電壓或功耗。

為了確定占空比，我們需要確切地知道晶體管何時切換。然而，從集電極電壓波形中可能無法清楚地看到開關時刻。在這種情況下，N.O.Sokal建議檢查基極電壓（VBE）波形。他將開啟點識別為VBE上升沿達到+0.8V的時刻，將關閉點識別為VB下降沿降至0V的時刻。

第三步：找到槽并調諧電容

接下來，我們找到電壓波形的波谷。根據槽的位置，我們調諧Csh和C0。例如，考慮圖6中的失諧開關電壓波形。此圖中的垂直箭頭指向晶體管導通時刻。

圖6在失諧放大器中打開開關電壓。圖片由N.O.Sokal提供

為了匹配最佳波形，該波形的波谷必須向下和向左移動?；仡^參考圖5，我們觀察到需要降低Csh才能發生這種情況。

在上述示例中，請注意，由于所選的分量值，波形的波谷實際上隱藏在視線之外。實際上，在分流電容器兩端的電壓達到低谷之前，開關就會打開。在無法觀察到波谷的情況下，我們可以通過目視檢查波形來估計其位置。

步驟4：將電源電壓恢復到標稱水平

接下來，我們逐漸增加直流電源電壓（Vcc），直到它達到標稱水平。在我上面鏈接的論文中，N.O.Sokal建議每次將Vcc增加50%。由于晶體管的集電極-基極電容隨著電源電壓的升高而減小，我們可能需要在Vcc每次增量增加后重新調諧Csh、C0和占空比。出現這種需要是因為集電極-基極電容改變了Csh的有效值。

步驟5：驗證調優結果

當調諧過程正確完成時，我們應該獲得與圖7中類似的最佳電壓波形。

圖7 在適當調諧的放大器中切換電壓波形。圖片由N.O.Sokal提供

最后一步是通過稍微增加Csh來執行調優驗證。這種調諧應該會導致開啟瞬間的電壓波形明顯下降，類似于我們在圖6中觀察到的情況。這表示開關接通的精確時刻，使我們能夠很容易地驗證占空比為50%，電壓波形的斜率在接通時刻為零。

一旦這些特征得到確認，我們就可以將Csh重新調諧到其原始值，從而回到最佳波形。

總結

在本文中，我們討論了一種特定于E類的調優方法，該方法使我們即使在非理想負載網絡組件的情況下也能獲得最佳性能。我們可以將此過程總結如下：

根據負載電阻、Q因子和工作頻率選擇合適的串聯電感。

向電路施加低直流電源電壓，并將占空比調諧為50%。

找到得到的開關電壓波形的波谷，然后調諧電容（Csh和C0），直到波谷在所需的位置。請參閱圖5，了解每個分量值如何影響波形。

將直流電源電壓以50%的增量增加到其標稱水平，根據需要重新調諧電容和占空比。

通過略微增加分流電容并觀察其在開關打開時對電壓波形的影響來驗證結果。

這是本系列的最后一篇文章，重點介紹E類功率放大器。下一篇文章將介紹F類功率放大器。