射頻E類功率放大器并聯(lián)電容技術(shù)

0 引言

功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率兩部分。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量。晶體管轉(zhuǎn)換能量的能力常用集電極效率ηc來表示，定義為

式 中：PDC為電源供給的直流功率；Pout為交流輸出功率；Pc為消耗在集電極上的功率。表明要增大ηc就要盡量減小集電極耗散功率Pc。由于Pc是集電 極瞬時(shí)電壓與集電極瞬時(shí)電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。對(duì)于A、B、C類功率放大器來說，由于功率放大管工作于有源狀態(tài)，集電極電流ic和集電極電壓vc都比 較大，因而，晶體管的集電極耗散功率也比較大，放大器的效率也就難以繼續(xù)提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作狀態(tài)的改進(jìn)上。A、B、C功率 放大器提高效率的途徑是以減小導(dǎo)通角和增大激勵(lì)功率為代價(jià)。

另一種提高效率的途徑是使晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，即當(dāng)ic流通時(shí)口vc很小，甚 至趨近于零；當(dāng)ic截止時(shí)，vc很大，從而達(dá)到減小集電極耗散功率Pc的目的。E類功率放大器就是按照“ic與vc不同時(shí)出現(xiàn)”的原理來設(shè)計(jì)的，使得在任 一時(shí)刻ic與vc的乘積均為零，Pc亦為零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，E類放大器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣 泛的應(yīng)用，其理論效率可達(dá)100％，實(shí)際效率達(dá)95％。

在E類功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來保證在晶體管截止的時(shí)間里，使集電極電壓保持十分低的一個(gè)值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是E類功率放大器高效率工作的必要條件。因此E類功率放大器并 聯(lián)電容的研究成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)問題。本文將分析E類功率放大器中的并聯(lián)電容及一些電路相關(guān)問題。

1 E類功率放大器電路結(jié)構(gòu)

典型的E類功率放大器電路原理如圖1所示，其中SW為等效晶體管開關(guān)(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout為晶體管寄生輸出電容，Cext為附加電容，L1為高頻扼流圈，L2，C2為串聯(lián)諧振回路，但并不諧振于激勵(lì)信號(hào)的基頻，R為等效負(fù)載電阻。

2 并聯(lián)電容及分析

2.1 并聯(lián)電容

在 E類功率放大器中，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)晶體管開關(guān)閉合時(shí)，集電極電壓理想情況下將為零，同時(shí)將產(chǎn)生較大的集電極電流；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，沒有集電極電流 流過晶體管，但是存在集電極電壓，從而避免了晶體管電流、電壓的同時(shí)存在，減小晶體管在全開、全閉狀態(tài)下的功率耗損。晶體管并聯(lián)電容(C1)的作用是在晶 體管由閉合到斷開的瞬間保持在0 V狀態(tài)下的集電極電壓口vc。

2.2 并聯(lián)電容對(duì)電路的影響

低頻狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電容假設(shè)為一個(gè)恒定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當(dāng)達(dá)到或超過900 MHz時(shí)，并聯(lián)電容大小將和晶體管集電極——襯底之間的寄生電容大小相比擬。因此，需要對(duì)高頻情況下的并聯(lián)電容進(jìn)行分析。

并聯(lián)電容包括兩部分：一部分是非線性晶體管寄生輸出電容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是線性附加電容Cext

式中：Cj0為零偏壓時(shí)的電容；Vbi是晶體管內(nèi)建電勢(shì)(通常為0.5～0.9 V)；n為pn結(jié)的結(jié)漸變系數(shù)。

E類功率放大器中非線性電容的存在對(duì)電路產(chǎn)生了諸多不良影響，如增加流過晶體管的最大電壓、增加耗損、降低效率。并聯(lián)電容的電納會(huì)影響E類功率放大器效率能否達(dá)到100％。式(3)給出了放大器頻率和電容的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)電納達(dá)到最大時(shí)能保證功率放大器理論效率為1

式中：y為功率放大器導(dǎo)通角；Bmax為最大電納；R為輸出負(fù)載。從上式可以看出，放大器最大頻率和線性并聯(lián)電容的函數(shù)關(guān)系。圖2為信號(hào)占空比為50％時(shí)，根據(jù)該函數(shù)關(guān)系的并聯(lián)電容與放大器最大頻率關(guān)系的曲線圖。

2.3 并聯(lián)電容計(jì)算方法

為了方便對(duì)非線性電容進(jìn)行分析和計(jì)算，2000年A.Mediano等人提出了線性等效電容和形狀因子的概念，分別用CEQ和α表示。

線 性等效電容是一個(gè)恒定不變的電容(因此可認(rèn)為是線性的)，能夠代替非線性晶體管輸出寄生電容Cout(v)，同時(shí)在晶體管開關(guān)閉合期間的最后時(shí)刻又能產(chǎn)生 和使用非線性電容時(shí)相同的歸一化工作狀態(tài)(即在晶體管開關(guān)開啟瞬間集電極為零電壓)，并且保持放大器其他元件的值。用這個(gè)等效電容取代非線性晶體管寄生輸 出電容后，可以采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)E類功率放大器，并且能達(dá)到同樣的目的。

形狀因子用來表征并聯(lián)電容C1的非線性程度，表達(dá)式為

當(dāng)α=0時(shí)，C1為線性；α=1時(shí)，放大器并聯(lián)電容完全由非線性晶體管輸出寄生電容Cout(v)構(gòu)成。

為了計(jì)算這個(gè)等效電容，需要知道器件的輸出電容與電壓的關(guān)系。因此，每一個(gè)影響VD(t)的放大器參數(shù)都會(huì)同樣影響Cout(v)。因此，電源電壓和形狀因子在對(duì)CEQ的影響上起著重要作用，表達(dá)式為

圖3所示為不同電源電壓情況下等效電容的變化情況；圖4為晶體管漏端電壓波形受形狀因子α的影響變化情況。

要 計(jì)算出準(zhǔn)確的等效電容值，首先必須有一個(gè)完全線性的E類功率放大器電路，采用傳統(tǒng)功率放大器電路分析方法從中獲得線性并聯(lián)電容C1。用C1代替不是完全非 線性的非線性電容，并通過不斷改變Cj0的值直到滿足最大工作效率狀態(tài)，即ZVS(zero-voltage switching)和ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此時(shí)得到的非線性電容值即為前文提到的線性等效電容。

3 合并聯(lián)電容的E類功率放大器設(shè)計(jì)方法

由 于并聯(lián)電容對(duì)放大器電路的影響，含并聯(lián)電容的E類功率放大器設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法有所不同。在設(shè)計(jì)中需要充分考慮并聯(lián)電容的影響，在不同pn結(jié)漸變系數(shù)、不 同信號(hào)占空比等條件下，通過計(jì)算滿足最優(yōu)化工作狀態(tài)ZVS和ZVDS時(shí)放大器的電路元件參數(shù)值，如附加電容、諧振電容和電感、補(bǔ)償電抗、負(fù)載等，從而獲得 放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)[5]給出了針對(duì)任意形狀因子、信號(hào)占空比、負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的E類功率放大器的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程圖，并給出了負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為5時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù) 值結(jié)果表，為廣大設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)參考。

4 結(jié)語

并聯(lián)電容在E類功率放大器中的作用十分重要，受到了人們的廣泛關(guān)注。本文對(duì)E類功率放大器中的并聯(lián)電容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了計(jì)算方法；對(duì)并聯(lián)電容在E類功率放大器中的作用進(jìn)行了分析，同時(shí)還給出了含并聯(lián)電容的E類放大器設(shè)計(jì)方法，以方便E類功率放大器的設(shè)計(jì)。