在本文中，我们将探讨专为 E 类放大器设计的成熟调谐方法。即使不知道负载网络组件的值，我们也可以使用此过程来微调组件值以获得性能。
调整以获得放大器性能
图 1 显示了 E 类级的基本拓扑。
基本 E 类放大器的示意图。
为了确定该电路的元件值，我们使用本系列文章前面介绍的设计方程。尽管 E 类放大器对电路参数的变化具有一定的弹性，但我们仍然应该计划调整元件值以获得性能。图 2 对比了正确调谐和误调谐放大器的典型开关波形。
运行和失调 E 类放大器的典型开关波形。
图 2.运行和失调 E 类放大器的典型开关波形。调整不当的情况用“一般”表示。图片由F. Raab提供
波形具有以下特征：
当开关接通时，其两端的电压为零。
在开关接通的瞬间，开关电压的斜率为零。
开关占空比为50%。
当这些条件不满足时，我们通过重新调整放大器来获得操作。在接下来的部分中，我们将讨论如何实现（以及不实现）这一目标。
寻找可靠的调整指标
我们不能使用直流输入功率（P in）或射频输出功率（P out）作为调整 E 类放大器的指标。要了解原因，我们首先需要考虑放大器负载网络的阻抗相位角 (?)。我们也可以将其称为负载角。
对于 E 类放大器，串联 RLC 电路在基频处的有效阻抗由下式给出：
ZL = RL × (1 + j1.1525) 等式 1。
由此可见，负载角为 = tan -1 (1.1525) = 49.052 度。
接下来，我们来看看P in、P out和效率 (η) 如何随负载角变化。这些关系如图 3 所示。请注意，输入功率和输出功率在此图中用P i和P o表示。
上图：效率与负载角的函数关系。下图：输入功率和输出功率作为负载角的函数。
图 3.上图：效率与负载角的函数关系。下图：输入功率和输出功率作为负载角的函数。图片由F. Raab提供
该图显示 η、 P in和P out的值出现在不同的负载角值处：
效率 (η) 在= 49 度和 65 度时达到值。
直流输入功率 ( P in ) 在 = –5 度时达到值。
RF 输出功率 ( P out ) 在 = 10 度时达到值。
在这三个参数中，只有效率具有接近负载角（? = 49.052 度）的值。由此可见，我们不能使用P in或P out作为调整指标。
我们可以通过测量P in和P out来确定集电极效率，然后使用该信息来调整放大器。然而，这种方法既繁琐又相对不切实际。
相反，我们将讨论一种既定的 E 类放大器调谐方法，该方法取决于分析开关电压波形。这种方法使我们能够在不知道负载网络内的元件值或寄生元件的确切值的情况下构建的 E 类放大器。
电路参数的变化会改变开关电压波形
对于调谐不当的放大器，开关两端的电压有一个峰值和一个谷值，如图 4 所示。
在调谐不当的放大器中观察到的典型开关电压波形。
图 4.调谐不当的放大器的典型开关电压波形。图片由NO Sokal提供
如果我们改变以下电路元件的值，波谷的位置就会以可预测的方式发生变化：
并联电容器 ( C sh )。
RLC电路的电容( C 0 )。
RLC电路的电感( L 0 )。
负载电阻 ( RL )。
图 5 对此进行了说明。
当我们改变并联电容、串联电容和串联电感时，波谷的位置也会发生变化。
图 5.当我们改变C sh 、 L 0和C 0时，波谷的位置也会发生变化。图片由 Steve Arar 提供
总结一下上图：
增加C sh会将波形的波谷向上和向右移动。
增加C 0和L 0会使波谷向下并向右移动。
增加R L会使波谷向上移动。
请注意，R L通常不是 RF 电路的可调参数。为了完整起见，将其包含在上面。相反，我们通过调整L 0、C 0和C sh的值来调整放大器。
调整过程
现在我们知道了要调整哪些参数，我们准备好完成调整过程了。让我们一步步看一下。
第 1 步：确定串联电感
对于给定的负载电阻 ( R L ) 和 Q 因子，我们使用以下关系选择适当的电感 ( L 0 )：
L0 = QRLω
等式2。
其中 ω 是角频率。我们假设R L、L 0和操作频率在整个调谐过程中保持其标称值。
第 2 步：调整电源电压和占空比
完成步骤 1 后，我们向电路施加低直流电源电压（约 4 V）并将占空比调整为 50%。使用低电源电压的想法是为了防止在调谐放大器时损坏晶体管。失调的放大器可能会产生过高的集电极电压或功耗。
为了确定占空比，我们需要确切地知道晶体管何时切换。然而，从集电极电压波形来看，开关时刻可能并不清晰。在这种情况下，NO Sokal建议检查基极电压 ( V BE ) 波形。他将V BE的上升沿达到 +0.8 V 的时刻定义为导通点，将V BE的下降沿降至 0 V 的时刻定义为关断点。
第三步：找到波谷并调整电容
接下来，我们找到电压波形的波谷。根据波谷的位置，我们然后调整C sh和C 0。例如，考虑图 6 中的失调开关电压波形。该图中的垂直箭头指向晶体管导通瞬间。
失调放大器中的开关电压开启。
图 6.失谐放大器中的开关电压开启。图片由NO Sokal提供
为了匹配波形，该波形的波谷必须向下并向左移动。回顾图 5，我们发现需要降低C sh才能实现这一点。
在上面的示例中，请注意，由于所选的组件值，波形的波谷实际上是隐藏在视图中的。在并联电容器两端的电压达到波谷之前，开关实际上已打开。在无法观察到波谷的情况下，我们可以通过目视检查波形来估计其位置。
步骤 4：将电源电压恢复至标称水平
接下来，我们逐渐增加直流电源电压 ( V cc )，直到达到标称水平。在我上面链接的论文中，NO Sokal 建议每次将V cc增加多 50%。由于晶体管的集电极-基极电容会随着电源电压的升高而减小，因此在每次增加V cc后，我们可能需要重新调整C sh、C 0和占空比。出现这种需要是因为集电极-基极电容改变了C sh的有效值。
步骤 5：验证调优结果
当调谐过程正确完成时，我们应该获得类似于图 7 中所示的电压波形。
正确调谐放大器中的开关电压波形。
图 7.正确调谐放大器中的开关电压波形。图片由NO Sokal提供
一步是通过稍微增加C sh来执行调整验证。这种调整应该会导致导通瞬间电压波形明显下降，类似于我们在图 6 中观察到的情况。这指示了开关导通的时刻，使我们能够轻松验证占空比是否为 50 % 并且在导通瞬间电压波形的斜率为零。
一旦确认了这些特性，我们就可以将C sh重新调整到原来的值，这使我们回到波形。
总结
在本文中，我们讨论了一种特定于 E 类的调整方法，即使使用非理想负载网络组件，该方法也能让我们获得性能。我们可以将这个过程总结如下：
为负载电阻、Q 因数和工作频率选择适当的串联电感。
向电路施加低直流电源电压并将占空比调整为 50%。
找到所得开关电压波形的波谷，然后调整电容（C sh和C 0），直到波谷位于所需位置。请参阅图 5，了解每个组件值如何影响波形。
将直流电源电压增加 50% 至标称水平，并根据需要重新调整电容和占空比。
通过稍微增加并联电容并观察开关接通时它如何影响电压波形来验证结果。
