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射频E类功率放大器并联电容技术

作者:angelazhang时间:2015-09-22

0 引言


功率放大器的效率包括放大器件效率和输出网络的传输效率两部分。功率放大器实质上是一个能量转换器,把电源供给的直流能量转换为交流能量。晶体管转换能量的能力常用集电极效率ηc来表示,定义为




式中:PDC为电源供给的直流功率;Pout为交流输出功率;Pc为消耗在集电极上的功率。表明要增大ηc就要尽量减小集电极耗散功率Pc。由于Pc是集电 极瞬时电压与集电极瞬时电流在一个周期内的平均值。对于A、B、C类功率放大器来说,由于功率放大管工作于有源状态,集电极电流ic和集电极电压vc都比 较大,因而,晶体管的集电极耗散功率也比较大,放大器的效率也就难以继续提高。功率放大器效率的提高,主要反映在放大器工作状态的改进上。A、B、C功率 放大器提高效率的途径是以减小导通角和增大激励功率为代价。


另一种提高效率的途径是使晶体管工作在开关状态,即当ic流通时口vc很小,甚 至趋近于零;当ic截止时,vc很大,从而达到减小集电极耗散功率Pc的目的。E类功率放大器就是按照“ic与vc不同时出现”的原理来设计的,使得在任 一时刻ic与vc的乘积均为零,Pc亦为零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E类功率放大器的电路结构。经过30多年的发展,E类放大器以其结构简单、效率高、可设计性强等优点,得到了广 泛的应用,其理论效率可达100%,实际效率达95%。


在E类功率放大电路中,并联电容的作用十分重要,它主要用来保证在晶体管截止的时间里,使集电极电压保持十分低的一个值,直到集电极电流减小到零为止。集电极电压的延迟上升,是E类功率放大器高效率工作的必要条件。因此E类功率放大器并 联电容的研究成为国内外的热点问题。本文将分析E类功率放大器中的并联电容及一些电路相关问题。


1 E类功率放大器电路结构


典型的E类功率放大器电路原理如图1所示,其中SW为等效晶体管开关(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件),Cout为晶体管寄生输出电容,Cext为附加电容,L1为高频扼流圈,L2,C2为串联谐振回路,但并不谐振于激励信号的基频,R为等效负载电阻。




2 并联电容及分析


2.1 并联电容


在 E类功率放大器中,晶体管工作在开关状态,当晶体管开关闭合时,集电极电压理想情况下将为零,同时将产生较大的集电极电流;当开关断开时,没有集电极电流 流过晶体管,但是存在集电极电压,从而避免了晶体管电流、电压的同时存在,减小晶体管在全开、全闭状态下的功率耗损。晶体管并联电容(C1)的作用是在晶 体管由闭合到断开的瞬间保持在0 V状态下的集电极电压口vc。


2.2 并联电容对电路的影响


低频状态下工作时,并联电容假设为一个恒定不变的值。但是,随着频率的不断增加,当达到或超过900 MHz时,并联电容大小将和晶体管集电极——衬底之间的寄生电容大小相比拟。因此,需要对高频情况下的并联电容进行分析。


并联电容包括两部分:一部分是非线性晶体管寄生输出电容Cout(v),如式(2)所示,另一部分是线性附加电容Cext




式中:Cj0为零偏压时的电容;Vbi是晶体管内建电势(通常为0.5~0.9 V);n为pn结的结渐变系数。


E类功率放大器中非线性电容的存在对电路产生了诸多不良影响,如增加流过晶体管的最大电压、增加耗损、降低效率。并联电容的电纳会影响E类功率放大器效率能否达到100%。式(3)给出了放大器频率和电容的函数关系。当电纳达到最大时能保证功率放大器理论效率为




式中:y为功率放大器导通角;Bmax为最大电纳;R为输出负载。从上式可以看出,放大器最大频率和线性并联电容的函数关系。图2为信号占空比为50%时,根据该函数关系的并联电容与放大器最大频率关系的曲线图。




2.3 并联电容计算方法


为了方便对非线性电容进行分析和计算,2000年A.Mediano等人提出了线性等效电容和形状因子的概念,分别用CEQ和α表示。


线性等效电容是一个恒定不变的电容(因此可认为是线性的),能够代替非线性晶体管输出寄生电容Cout(v),同时在晶体管开关闭合期间的最后时刻又能产生 和使用非线性电容时相同的归一化工作状态(即在晶体管开关开启瞬间集电极为零电压),并且保持放大器其他元件的值。用这个等效电容取代非线性晶体管寄生输 出电容后,可以采用传统设计方法设计E类功率放大器,并且能达到同样的目的。


形状因子用来表征并联电容C1的非线性程度,表达式为




当α=0时,C1为线性;α=1时,放大器并联电容完全由非线性晶体管输出寄生电容Cout(v)构成。


为了计算这个等效电容,需要知道器件的输出电容与电压的关系。因此,每一个影响VD(t)的放大器参数都会同样影响Cout(v)。因此,电源电压和形状因子在对CEQ的影响上起着重要作用,表达式为




图3所示为不同电源电压情况下等效电容的变化情况;图4为晶体管漏端电压波形受形状因子α的影响变化情况。



要计算出准确的等效电容值,首先必须有一个完全线性的E类功率放大器电路,采用传统功率放大器电路分析方法从中获得线性并联电容C1。用C1代替不是完全非 线性的非线性电容,并通过不断改变Cj0的值直到满足最大工作效率状态,即ZVS(zero-voltage switching)和ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此时得到的非线性电容值即为前文提到的线性等效电容。


3 合并联电容的E类功率放大器设计方法


由 于并联电容对放大器电路的影响,含并联电容的E类功率放大器设计方法与传统方法有所不同。在设计中需要充分考虑并联电容的影响,在不同pn结渐变系数、不 同信号占空比等条件下,通过计算满足最优化工作状态ZVS和ZVDS时放大器的电路元件参数值,如附加电容、谐振电容和电感、补偿电抗、负载等,从而获得 放大器的设计参数。文献[5]给出了针对任意形状因子、信号占空比、负载品质因数的E类功率放大器的详细设计流程图,并给出了负载品质因数为5时的设计数 值结果表,为广大设计者提供了设计参考。


4 结语


并联电容在E类功率放大器中的作用十分重要,受到了人们的广泛关注。本文对E类功率放大器中的并联电容进行了详细的介绍,并给出了计算方法;对并联电容在E类功率放大器中的作用进行了分析,同时还给出了含并联电容的E类放大器设计方法,以方便E类功率放大器的设计。




关键词: 射频 放大器

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