E类功放介绍

对比 D 类和 E 类电路

考虑图 1 中所示的互补电压开关 D 类放大器。

图 1.互补电压开关配置，其中节点 A 的寄生电容由C p建模。

在上图中，C p对晶体管的寄生输出电容进行建模。晶体管在交替的半周期上导通和截止，导致节点 A 上的电压在V CC和地之间切换。每当发生转变时，C p的充电和放电都会导致一些能量以开关导通电阻的热量形式耗散。

例如，对于从V CC到地的转变，晶体管Q 2导通并释放初存储在C p中的电荷。这消耗了Q 2的导通电阻中的一些能量。C p充电和放电损失的总功率为：

磷d我ss我p一个ted = CpV2CCf

等式 1。

其中f是放大器的开关频率。

D 类放大器的操作涉及对C p进行充电和放电，但存储在电容中的能量不会传递到负载。事实上，C p的值根本不影响输出射频功率——它从电源汲取的功率会因热量而损失掉。

相比之下，图 2 显示了简单的 E 类放大器的电路原理图。

图 2.低阶 E 类放大器原理图。

该电路中的晶体管被驱动以充当开关。 RF 扼流圈 (L 1 ) 提供通往电源的直流路径，并在 RF 处近似开路。 L 0和C 0形成串联调谐电路，将负载连接到晶体管的集电极。

晶体管和C 0之间是并联电容( C sh )。并联电容包括在输出端添加的电容器和器件输出寄生电容。与 D 类放大器不同，存储在该电容中的能量不会以热量的形式耗散，而是被引导至负载。

正如我们稍后将在本文中看到的，C sh在 E 类放大器的运行中发挥着关键作用。然而，在此之前，我们需要了解有限开关速度的问题。只有这样我们才能准备好讨论E类功率放大器如何处理这个问题。

缓慢上升和下降时间对开关模式操作的影响

当开关的驱动信号理想时，它们近似为具有尖锐边缘的矩形波形。为了更准确地反映实际情况，我们应该假设开关电流和电压波形是梯形而不是矩形。图 3 对此进行了说明。

图 3.实际开关的电流（顶部）和电压（底部）波形呈现非零转换间隔。

要理解图 3 中的波形，请回想一下开关模式功率放大器背后的基本思想，即将晶体管作为开关而不是电流源运行会带来更高的效率。理想的开关不消耗功率，因为其电压和电流的乘积始终为零。开关ON时，无电压降；当开关关闭时，没有电流流动。由于晶体管不消耗功率，因此开关模式功率放大器的理论效率可以接近100%。

然而，实际上，晶体管不会立即改变状态。在开关间隔期间，开关两端的电压和通过开关的电流都是可观的。对于非零IV产品，功率会消耗在晶体管中，从而降低放大器的效率。

E 类放大器通过策略性地对电压和电流开关转换进行时间偏移来防止这种情况发生。理想情况下，即使开关转换占据了 RF 周期的很大一部分，这也会导致晶体管的功耗为零。时序偏移是通过仔细设计负载网络来实现的，包括器件输出处的并联电容（图 2 中的C sh）。在接下来的部分中，我们将研究该设计如何消除关断和导通转换期间的开关损耗。

消除开关关断损耗

具有纯电阻负载的电路将具有图 3 所示的开关电压和电流波形，其中开关电流的变化会转化为开关电压的瞬时成比例变化。然而，如果我们在负载网络中添加一个并联电容器，我们可以预期开关电压和电流波形的边沿之间会出现一些延迟。这是因为电容器两端的电压变化 (Δ V c ) 与电容成反比，如公式 2 所示：

ΔVc = 我ΔtC<br>

等式2。

对于给定电流 ( I )，附加电容 ( C )会在给定时间间隔 (Δt )内减少ΔVc。因此，我们可以通过选择足够大的并联电容器来产生所需的时序偏移。

图 4 显示了添加时间延迟如何影响图 3 中的波形。

图 4.延迟集电极电压上升直至开关电流降至零后产生的波形。

在图 4 中，电压和电流波形的非零部分在开关从 ON 到 OFF 的转换期间（T 1和T 3间隔）不会重叠。因此，在关断转换期间IV = 0，从而实现零功率损耗。然而， T 2间隔周围的重叠（从“关”到“开”的转变）实际上增加了。

显然，仅仅引入延迟不足以消除两组转换期间的开关损耗。为了了解 E 类放大器如何消除从关闭到开启转换期间的开关功率损耗，我们需要检查开关处于关闭状态时的电路。

消除开关导通损耗

图 5 显示了开关关闭时 E 类放大器的负载网络。

图 5.开关关闭时 E 类放大器的负载网络。

开关关闭后，E 类放大器的负载网络作为阻尼二阶系统运行，一些初始能量存储在其电感器 (L 0 ) 和电容器（C 0和C sh）中。虽然在这个半周期内没有输入施加到负载网络，但系统中存储的初始能量会引起瞬态响应。由于R L耗散能量，瞬态响应终消失。

为了深入了解负载网络的响应，我们使用图 6 中的 LTspice 原理图。请注意，该电路的初始条件和元件值都是任意选择的。

图 6.用于检查具有某些初始条件的串联 RLC 电路的响应的 LTspice 原理图。

从我们的电路理论课程中，我们知道元件的值可以导致三种不同类型的瞬态响应：

• 过阻尼。
• 严重阻尼。
• 欠阻尼。

图 7 显示了三个不同R L值时电容器两端电压 (C 1 ) 的时间响应，使我们能够检查所有三个阻尼级别。

图 7. R L = 10 Ω、20 Ω 和 30 Ω时串联 RLC 电路的响应。

尽管响应的形状取决于元件值，但R L的存在可确保终电容器电压为零。如果我们的功率放大器中开关的关闭半周期足够长，那么当开关打开时，电容器电压实际上会降低到0 V。与图 4 所示的假设情况不同，这会自动消除从关到开转换期间开关电流和电压波形之间的重叠。

图 8 显示了 E 类放大器的典型（尽管不理想）开关波形。

图 8. E 类放大器的典型开关电流（顶部）和电压（底部）波形。

总结

为了获得性能，E 类放大器中的负载网络应设计为产生临界阻尼响应。我们将在以后的文章中讨论其原因。不过，在此之前，我们将研究 E 类功率放大器设计的理想开关电压和电流波形。我们还将讨论生成这些波形的实际限制。