如何調(diào)諧E類(lèi)放大器

在這篇文章中，我們討論了一種專(zhuān)門(mén)為E類(lèi)射頻放大器設(shè)計(jì)的調(diào)諧方法。

在之前的文章中，我們深入研究了E類(lèi)放大器的理論工作原理。我們還討論了幾個(gè)非理想性，例如實(shí)際晶體管的非零開(kāi)關(guān)時(shí)間，這些非理想性會(huì)導(dǎo)致與這一理論理想的偏差。實(shí)用的E類(lèi)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(zhuān)門(mén)為E類(lèi)放大器設(shè)計(jì)的成熟調(diào)諧方法。即使不知道負(fù)載網(wǎng)絡(luò)組件的精確值，我們也可以使用此過(guò)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(jí)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1基本E類(lèi)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(jì)方程。盡管E類(lèi)放大器對(duì)電路參數(shù)的變化有一定的彈性，但我們?nèi)匀粦?yīng)該計(jì)劃調(diào)諧元件值以獲得最佳性能。圖2對(duì)比了正確調(diào)諧和失諧放大器的典型開(kāi)關(guān)波形。 

圖2 用于最佳操作和失諧E類(lèi)放大器的典型開(kāi)關(guān)波形。調(diào)諧不當(dāng)?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(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，其兩端的電壓為零。

在開(kāi)關(guān)接通的瞬間，開(kāi)關(guān)電壓的斜率為零。

開(kāi)關(guān)占空比為50%。

當(dāng)這些條件不滿足時(shí)，我們通過(guò)重新調(diào)諧放大器來(lái)獲得最佳操作。在接下來(lái)的部分中，我們將討論如何做到（和不做到）這一點(diǎn)。

尋找可靠的調(diào)諧指標(biāo)

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(lèi)放大器的指標(biāo)。要理解為什么不，我們首先需要考慮放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的阻抗相位角（?）。我們也可以將其稱為負(fù)載角。

對(duì)于最佳的E類(lèi)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(lái)，讓我們看看Pin、Pout和效率（η）如何隨負(fù)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(fù)載角度的函數(shù)關(guān)系。底圖：輸入功率和輸出功率隨負(fù)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(fù)載角度值處：

效率（η）在?=49度和65度時(shí)達(dá)到最大值。

直流輸入功率（Pin）在?=-5度時(shí)達(dá)到最大值。

射頻輸出功率（Pout）在?=10度時(shí)達(dá)到最大值。

在這三個(gè)參數(shù)中，只有效率的最大值接近最佳負(fù)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(biāo)。

我們可以通過(guò)測(cè)量Pin和Pout來(lái)確定集電極效率，然后使用這些信息來(lái)調(diào)諧放大器。然而，這種方法既繁瑣又相對(duì)不切實(shí)際。

相反，我們將討論一種基于分析開(kāi)關(guān)電壓波形的E類(lèi)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(fù)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(lèi)放大器。

電路參數(shù)的變化會(huì)改變開(kāi)關(guān)電壓波形

對(duì)于調(diào)諧不當(dāng)?shù)姆糯笃鳎_(kāi)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(dāng)放大器的典型開(kāi)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(huì)以可預(yù)測(cè)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(fù)載電阻器（RL）。

如圖5所示。

當(dāng)我們改變分流電容、串聯(lián)電容和串聯(lián)電感時(shí)，槽的位置也會(huì)發(fā)生變化。

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

總結(jié)上圖：

增加Csh會(huì)使波形的波谷向上和向右移動(dòng)。

增加C0和L0會(huì)使波谷向下向右移動(dòng)。

增加RL會(huì)使波谷向上移動(dòng)。

請(qǐng)注意，RL通常不是RF電路的可調(diào)參數(shù)。為了完整起見(jiàn)，它包含在上面。相反，我們通過(guò)調(diào)諧L0、C0和Csh的值來(lái)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(guò)程了。讓我們一步步來(lái)。

步驟1：確定串聯(lián)電感

對(duì)于給定的負(fù)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(gè)調(diào)諧過(guò)程中保持其標(biāo)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(shí)防止損壞晶體管。失諧放大器可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)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(shí)切換。然而，從集電極電壓波形中可能無(wú)法清楚地看到開(kāi)關(guān)時(shí)刻。在這種情況下，N.O.Sokal建議檢查基極電壓（VBE）波形。他將開(kāi)啟點(diǎn)識(shí)別為VBE上升沿達(dá)到+0.8V的時(shí)刻，將關(guān)閉點(diǎn)識(shí)別為VB下降沿降至0V的時(shí)刻。

第三步：找到槽并調(diào)諧電容

接下來(lái)，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(kāi)關(guān)電壓波形。此圖中的垂直箭頭指向晶體管導(dǎo)通時(shí)刻。

圖6在失諧放大器中打開(kāi)開(kāi)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(dòng)?；仡^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(qǐng)注意，由于所選的分量值，波形的波谷實(shí)際上隱藏在視線之外。實(shí)際上，在分流電容器兩端的電壓達(dá)到低谷之前，開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)。在無(wú)法觀察到波谷的情況下，我們可以通過(guò)目視檢查波形來(lái)估計(jì)其位置。

步驟4：將電源電壓恢復(fù)到標(biāo)稱水平

接下來(lái)，我們逐漸增加直流電源電壓（Vcc），直到它達(dá)到標(biāo)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?yàn)榧姌O-基極電容改變了Csh的有效值。

步驟5：驗(yàn)證調(diào)優(yōu)結(jié)果

當(dāng)調(diào)諧過(guò)程正確完成時(shí)，我們應(yīng)該獲得與圖7中類(lèi)似的最佳電壓波形。

圖7 在適當(dāng)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(guò)稍微增加Csh來(lái)執(zhí)行調(diào)優(yōu)驗(yàn)證。這種調(diào)諧應(yīng)該會(huì)導(dǎo)致開(kāi)啟瞬間的電壓波形明顯下降，類(lèi)似于我們?cè)趫D6中觀察到的情況。這表示開(kāi)關(guān)接通的精確時(shí)刻，使我們能夠很容易地驗(yàn)證占空比為50%，電壓波形的斜率在接通時(shí)刻為零。

一旦這些特征得到確認(rèn)，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(lèi)的調(diào)優(yōu)方法，該方法使我們即使在非理想負(fù)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(guò)程總結(jié)如下：

根據(jù)負(fù)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(kāi)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(qǐng)參閱圖5，了解每個(gè)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(biāo)稱水平，根據(jù)需要重新調(diào)諧電容和占空比。

通過(guò)略微增加分流電容并觀察其在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)對(duì)電壓波形的影響來(lái)驗(yàn)證結(jié)果。

這是本系列的最后一篇文章，重點(diǎn)介紹E類(lèi)功率放大器。下一篇文章將介紹F類(lèi)功率放大器。