如何調(diào)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(shè)計的調(diào)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(guān)時間，這些非理想性會導(dǎo)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(dǎo)致放大器失諧，從而導(dǎo)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(shè)計的成熟調(diào)諧方法。即使不知道負載網(wǎng)絡(luò)組件的精確值，我們也可以使用此過程微調(diào)組件值以獲得最佳性能。

優(yōu)化放大器性能的調(diào)諧

圖1顯示了E級的基本拓撲結(jié)構(gòu)。

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(shè)計方程。盡管E類放大器對電路參數(shù)的變化有一定的彈性，但我們?nèi)匀粦?yīng)該計劃調(diào)諧元件值以獲得最佳性能。圖2對比了正確調(diào)諧和失諧放大器的典型開關(guān)波形。 

圖2 用于最佳操作和失諧E類放大器的典型開關(guān)波形。調(diào)諧不當?shù)那闆r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(guān)打開時，其兩端的電壓為零。

在開關(guān)接通的瞬間，開關(guān)電壓的斜率為零。

開關(guān)占空比為50%。

當這些條件不滿足時，我們通過重新調(diào)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(diào)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(diào)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(wǎng)絡(luò)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(lián)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(guān)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(shù)關(guān)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(xiàn)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(shù)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(diào)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(diào)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(guān)電壓波形的E類放大器的既定調(diào)諧方法。這種方法使我們能夠在不知道負載網(wǎng)絡(luò)中組件值或寄生元件的確切值的情況下構(gòu)建最佳的E類放大器。

電路參數(shù)的變化會改變開關(guān)電壓波形

對于調(diào)諧不當?shù)姆糯笃鳎_關(guān)兩端的電壓有峰值和谷值，如圖4所示。

圖4 調(diào)諧不當放大器的典型開關(guān)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(yù)測的方式發(fā)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(lián)電容和串聯(lián)電感時，槽的位置也會發(fā)生變化。

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

總結(jié)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(diào)參數(shù)。為了完整起見，它包含在上面。相反，我們通過調(diào)諧L0、C0和Csh的值來調(diào)諧放大器。

調(diào)諧程序

現(xiàn)在我們知道要調(diào)諧哪些參數(shù)了，我們就可以完成調(diào)優(yōu)過程了。讓我們一步步來。

步驟1：確定串聯(lián)電感

對于給定的負載電阻（RL）和Q因子，我們使用以下關(guān)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(shè)RL、L0和操作頻率在整個調(diào)諧過程中保持其標稱值。

步驟2：調(diào)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(diào)諧為50%。使用低電源電壓的想法是在調(diào)諧放大器時防止損壞晶體管。失諧放大器可能會產(chǎn)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(guān)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(guān)閉點識別為VB下降沿降至0V的時刻。

第三步：找到槽并調(diào)諧電容

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

圖6在失諧放大器中打開開關(guān)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。回頭參考圖5，我們觀察到需要降低Csh才能發(fā)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(guān)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(fù)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(diào)諧Csh、C0和占空比。出現(xiàn)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(diào)優(yōu)結(jié)果

當調(diào)諧過程正確完成時，我們應(yīng)該獲得與圖7中類似的最佳電壓波形。

圖7 在適當調(diào)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(zhí)行調(diào)優(yōu)驗證。這種調(diào)諧應(yīng)該會導(dǎo)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(guān)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(diào)諧到其原始值，從而回到最佳波形。

總結(jié)

在本文中，我們討論了一種特定于E類的調(diào)優(yōu)方法，該方法使我們即使在非理想負載網(wǎng)絡(luò)組件的情況下也能獲得最佳性能。我們可以將此過程總結(jié)如下：

根據(jù)負載電阻、Q因子和工作頻率選擇合適的串聯(lián)電感。

向電路施加低直流電源電壓，并將占空比調(diào)諧為50%。

找到得到的開關(guān)電壓波形的波谷，然后調(diào)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(jù)需要重新調(diào)諧電容和占空比。

通過略微增加分流電容并觀察其在開關(guān)打開時對電壓波形的影響來驗證結(jié)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。