A類功率放大器簡(jiǎn)介：共發(fā)射極PA

射頻放大器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，涉及線性度、效率、增益和輸出功率之間的權(quán)衡。在這里，我們研究共發(fā)射極電路如何能夠或不能用作功率放大器。

本系列之前的文章討論了小信號(hào)放大器，它通常設(shè)計(jì)用于增益和線性，而不是功率傳輸。如果接下來(lái)的電路具有純電容輸入阻抗，則小信號(hào)放大器可能會(huì)提供特定的電壓或電流增益，而不會(huì)向?qū)嶋H負(fù)載傳輸任何明顯的功率。由于小信號(hào)放大器不處理高功率電平，因此功率處理能力和功率效率也不是其主要設(shè)計(jì)要求。

在接下來(lái)的幾篇文章中，我們將討論一些截然不同的內(nèi)容：射頻功率放大器。功率放大器（PA）出現(xiàn)在發(fā)射機(jī)的輸出端，負(fù)責(zé)將射頻功率傳輸?shù)教炀€。我們可以預(yù)計(jì)功率放大器的峰值交流電流在200毫安或更高的范圍內(nèi)——當(dāng)然不是小信號(hào)。

這讓我們區(qū)分了功率放大器和線性小信號(hào)放大器的重要區(qū)別。功率放大器的交流電流通常與其靜態(tài)偏置電流相當(dāng)。由于功率放大器處理大量的交流電流，而大偏置電流意味著線性操作較差，因此我們可以預(yù)期功率放大器基本上是非線性的。即使是A類功率放大器——最線性的功率放大器類型，也是本文的主要主題——通常被設(shè)計(jì)為提供等于晶體管偏置電流的峰值交流電流。

我們將通過(guò)檢查功率效率和功率處理能力的問(wèn)題來(lái)開始我們對(duì)A類功率放大器的研究，這兩者在PA設(shè)計(jì)中都是最重要的。然后我們將看看我們是否可以通過(guò)使用共發(fā)射極級(jí)作為功率放大器來(lái)解決這些問(wèn)題。在我們完成一些計(jì)算后，我們將介紹電感負(fù)載的A類功率放大器。

功率效率和功率處理能力

由于它們旨在提供大量的輸出功率，因此功率放大器是射頻收發(fā)器中最耗電的模塊。例如，如果向天線提供30 kW功率的功率放大器效率僅為50%，則放大器本身將消耗30 kW。這可能是一個(gè)相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的熱管理問(wèn)題。

效率是一個(gè)主要問(wèn)題，無(wú)論P(yáng)A是向廣播發(fā)射機(jī)的天線提供數(shù)十瓦的功率，還是向便攜式通信設(shè)備的天線提供幾瓦的功率。即使在低功耗的便攜式應(yīng)用中，低效率的PA在產(chǎn)生可用輸出功率方面效率較低——事實(shí)上，PA會(huì)浪費(fèi)電池提供的可用功率。使用更高效的PA，電池供電設(shè)備的使用時(shí)間可以更長(zhǎng)。

另一個(gè)PA設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)來(lái)自大型信號(hào)功率放大器通常要處理的問(wèn)題?？紤]一個(gè)向50Ω天線提供1W射頻功率的便攜式設(shè)備。這需要提供20V的峰峰電壓擺幅和200mA的峰值電流通過(guò)天線。正如你所看到的，即使在這種低功率應(yīng)用中，晶體管也必須處理高壓和電流水平，以在輸出端提供所需數(shù)量的射頻功率。

同時(shí)，在高功率應(yīng)用中，有源器件必須處理遠(yuǎn)高于此的電壓和電流。晶體管在它們可以處理的最大電壓和電流水平方面以及在不損壞的情況下可以燃燒的最大功率方面都受到限制，因此這可能是有問(wèn)題的。

我們可以使用共發(fā)射極放大器作為PA嗎？

讓我們研究一下使用共發(fā)射極（或共源極）級(jí)作為功率放大器的可能性。我們能否通過(guò)使用足夠大的晶體管來(lái)有效地提供大量的輸出功率？假設(shè)圖1中所示的共發(fā)射極級(jí)向50Ω負(fù)載電阻（RL）提供1W的功率。

共發(fā)射極級(jí)電路圖。

圖1.共發(fā)射極放大器。

為了將圖1中的電路用作PA，我們顯然需要使用能夠耗散幾瓦到幾十瓦而不被損壞的功率晶體管。然而，首要問(wèn)題仍然是如何最大化電路的輸出功率。

負(fù)載的電壓和電流的乘積決定了輸送的功率。為了實(shí)現(xiàn)最大輸出功率，應(yīng)選擇偏置點(diǎn)以最大化負(fù)載的電壓和電流擺動(dòng)。當(dāng)晶體管被偏置在其有源區(qū)的中間時(shí)，實(shí)現(xiàn)最大擺動(dòng)。為了找到合適的偏置點(diǎn)，我們?yōu)榧姌O支路寫了一個(gè)KVL方程：

方程式1

其中：

iC是集電極電流總和

vCE表示集電極和發(fā)射極之間的總電壓，包括直流和交流分量。

該方程式給出了電路的交流負(fù)載線，如圖2所示。任何可能的iC值和相應(yīng)的vCE值都落在交流負(fù)載線上。

共射極放大器的交流負(fù)載線。

圖2:共發(fā)射極電路的交流負(fù)載線。偏置點(diǎn)（ICQ和VCEQ）可以在兩條虛線的交點(diǎn)處找到。

在我們的簡(jiǎn)單示例中，交流和直流負(fù)載線是相同的。這使得確定電壓和電流限制變得容易——當(dāng)晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)（iC = 0）時(shí)，整個(gè)電源電壓因此出現(xiàn)在集電極和發(fā)射極端子之間（vCE = VCC）。另一方面，對(duì)于飽和晶體管，集電極和發(fā)射極端子之間會(huì)出現(xiàn)非常小的電壓降（通常為0.1 V）。忽略這個(gè)很小的電壓降，我們找到了集電極電流的最大值：

方程式2

交流負(fù)載線顯示了電路中的電流和電壓限制。通過(guò)將所采用特定類型的晶體管（BJT、FET等）的特性曲線疊加在交流負(fù)載線上，我們可以很容易地確定信號(hào)何時(shí)超過(guò)晶體管的線性范圍。

為了獲得最大擺動(dòng)，我們選擇交流負(fù)載線中間的偏置點(diǎn)（ICQ和VCEQ）。ICQ是靜態(tài)集電極電流：

VCEQ是靜態(tài)集電極-發(fā)射極電壓：

方程式3

VCEQ是靜態(tài)集電極-發(fā)射極電壓：

方程式4

因此，流經(jīng)RL的峰值交流電流為：

方程式5

換句話說(shuō)，在最大輸出功率的情況下，我們可以假設(shè)集電極電流由ICQ的偏置電流和振幅為ic，max的正弦電流分量組成：

方程式6

其中?是交流信號(hào)的頻率。

計(jì)算電源效率

傳遞給負(fù)載的功率有兩個(gè)組成部分：來(lái)自偏置電流的直流功率和我們希望最大化的交流功率。由于我們知道集電極的峰值交流電流（ic，max），我們可以計(jì)算傳遞給負(fù)載的交流功率的平均值，如下式所示：

方程式7

請(qǐng)注意，這是負(fù)載的最大交流功率。當(dāng)交流信號(hào)不存在時(shí)，向負(fù)載提供的交流功率為零。

我們可以使用以下方程計(jì)算電源電壓提供的平均功率。方程6幫助我們創(chuàng)建右邊的更復(fù)雜的版本，這將很快證明是有用的：

方程式8

其中T是信號(hào)的周期。

正弦項(xiàng)在一個(gè)周期內(nèi)的平均值為零，因此方程8簡(jiǎn)化為：

方程式9

ICQ的公式可以在方程式3中找到。

最后，使用方程式7和9，放大器的最大效率計(jì)算為：

向負(fù)載輸送交流電

由電源提供的電力

方程式10

這意味著電源必須提供4 W才能向負(fù)載提供1 W。額外的3 W的一部分在晶體管中損失；其余部分作為RL中的直流功率損失。在實(shí)踐中，可實(shí)現(xiàn)的效率可能遠(yuǎn)低于25%。

現(xiàn)在我們知道如何計(jì)算最大效率，讓我們找到最佳負(fù)載。

計(jì)算最佳負(fù)載

綜上所述，方程式3和4表明，RL和晶體管的偏置點(diǎn)之間必須存在某種關(guān)系，以使晶體管達(dá)到最大輸出功率。換句話說(shuō)，對(duì)于給定的偏置條件，存在一個(gè)使輸出功率最大化的最佳負(fù)載。

基于最大功率傳輸定理，我們可能會(huì)認(rèn)為最佳RL取決于晶體管的輸出阻抗。相反，它只取決于VCC和偏置點(diǎn)。這實(shí)際上是一個(gè)有趣（有時(shí)令人困惑）的點(diǎn)，但更詳細(xì)的解釋還有待另一天?，F(xiàn)在，讓我們考慮圖3中的共發(fā)射極電路。

共發(fā)射極放大器，電源電壓為12 V，靜態(tài)電流為750 mA。

圖3.電源電壓為12V、靜態(tài)電流為0.75A的共發(fā)射極放大器。

假設(shè)電源電壓VCC=12V，靜態(tài)電流ICQ=0.75A，RL的值是多少才能產(chǎn)生最大的輸出功率？

我們通過(guò)重寫方程3求解RL，得到最佳負(fù)載電阻的公式。

方程式11

對(duì)于上面給出的電源電壓和靜態(tài)電流值，計(jì)算結(jié)果為：

方程式12

圖4顯示了三個(gè)不同負(fù)載電阻值的負(fù)載線：RL = 4 Ω、8 Ω和13.33 Ω。該圖幫助我們直觀地了解給定靜態(tài)電流的不同負(fù)載電阻如何產(chǎn)生不同的電壓波動(dòng)，從而產(chǎn)生不同的輸出功率值。

三種不同負(fù)載電阻值的負(fù)載線，包括最佳值。

圖4.三個(gè)不同負(fù)載電阻值的負(fù)載線：RL = 4 Ω（紫色），RL = 8 Ω（藍(lán)色），RL = 13.33 Ω（橙色）。

結(jié)果：

當(dāng)RL = 4Ω時(shí)，我們觀察到在VCEQ = 9V時(shí)ICQ = 0.75A。在這種情況下，峰峰擺幅為6V（RL = 8Ω時(shí)擺幅的一半）。

最佳值RL=8Ω，導(dǎo)致VCEQ=6 V的直流收集器-發(fā)射器電壓，該電壓位于負(fù)載線的中間。

RL = 13.33 Ω導(dǎo)致VCEQ = 2 V，這再次產(chǎn)生了小于最佳值的峰間擺幅。

我們通過(guò)詢問(wèn)是否可以使用簡(jiǎn)單的共發(fā)射極級(jí)來(lái)有效地提供大量的輸出功率，開始了本文的計(jì)算部分。答案似乎是“否”。但為什么呢？

共發(fā)射極級(jí)的缺點(diǎn)

通過(guò)簡(jiǎn)單的共發(fā)射極級(jí)，偏置電流始終流經(jīng)負(fù)載。因此，僅僅為了偏置晶體管，負(fù)載中始終會(huì)浪費(fèi)等于RLICQ2的直流功率。使用方程7，您可以驗(yàn)證此直流功率是我們能夠提供給負(fù)載的最大交流功率的兩倍。

這是電路效率低的原因之一。此外，我們計(jì)算的是最大可能的效率。如果交流信號(hào)低于最大擺幅，效率會(huì)進(jìn)一步下降。

該電路的另一個(gè)缺點(diǎn)是，對(duì)于給定的電源電壓，它提供的電壓擺動(dòng)相對(duì)較小。例如，考慮向50Ω天線輸送1W射頻功率的問(wèn)題。如上所述，這需要提供20V的峰峰值電壓擺動(dòng)，以及通過(guò)天線的200mA峰值電流。

如圖2中的交流負(fù)載線所示，最大峰峰值擺幅等于VCC。因此，我們需要大于20 V的電源電壓才能為天線提供1 W的功率！許多便攜式設(shè)備使用的電源電壓要小得多。

電感負(fù)載A類功率放大器圖5顯示了一個(gè)更實(shí)用的A類放大器的基本原理圖。該放大器通過(guò)使用電感負(fù)載和隔直電容來(lái)規(guī)避上述一些問(wèn)題。

電感負(fù)載A類放大器的電路圖。

圖5.電感負(fù)載A類放大器的基本示意圖。

讓我們來(lái)檢查上述模型的標(biāo)記部分。

RL是電阻器。它代表我們希望為其供電的實(shí)際負(fù)載。

L1是電感器。它足夠大，可以在感興趣的頻率下充當(dāng)交流開路電路——我們稱這種電感器為“RF扼流圈”。

VCC是電源電壓。正如我們?cè)谙乱黄恼轮锌吹降?，電感?fù)載級(jí)可以有對(duì)稱的電壓擺動(dòng)，其值是VCC的兩倍。

Req是使輸出功率最大化的最佳負(fù)載。

C1是電容器。它阻斷直流電流，但在感興趣的頻率下充當(dāng)交流短路。

匹配網(wǎng)絡(luò)用于將RL轉(zhuǎn)換為Req。由于匹配網(wǎng)絡(luò)幾乎總是使用電抗元件（電感器和電容器）來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此傳輸?shù)狡ヅ渚W(wǎng)絡(luò)輸入端的功率會(huì)在RL中耗散。為了防止RL中的任何直流耗散，集電極通過(guò)C1連接到匹配網(wǎng)絡(luò)。如上所述，C1用于阻斷直流電流。

在本系列的下一篇文章中，我們將繼續(xù)更深入地討論電感負(fù)載A類放大器。