高效率E类射频功率放大器的设计(1)(5)

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(a）电压开关型D 类放大器电原理图

(b) 等效电路图1

（c）等效电路图2

图3.7 单端推挽式电压开关型D类放大器电原理图和等效电路

由于功率管极间电容和电路中的分布电容，将使功率管在导通至截止和截止至导通的开关转换期间uDS(或uCE)和iD(或ic)均不为零，即集电极上有功率损耗，从而使D类功率放大器的实际效率降低，这大大限制了D类功率放大器的发展。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽可能地减少，使通断的转换时间尽可能地缩短，那么D类放大器的工作频率可以继续有所提高，即构成E类功率放大器。

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3.6 E类射频功率放大器

在高效率功率放大器中，E类放大器具有结构简单，转换效率高，高频性能出色等优点，其理论效率达到100％，实际效率为90%左右，克服了D类功率放大器不能应用于高频的特性。

E类射频功率放大器电路的主要设计思想为：

(1)功率管截止时，使集电极电压uce在集电极电流ic=0以后才开始上升；

(2)功率管导通时，使集电极电流ic在以后才开始出现，保证使功率管从导通至截止或从截止至导通的开关期间，集电极电流ic和集电极电压uce不会同时出现，只有这样，消耗在集电极上的功率才能为零，功率管的功耗最小，效率最高。

在E类射频功率放大器的设计中，晶体管作为通断开关，产生的电压与电流必须满足一个条件，即大电流和大电压不会同时出现。

3.6.1 具有并联电容的E类功率放大器

具有并联电容的单端开关模式E类功率放大器的设计方案首次发布于1975年，由于其设计简单且效率高，E类功率放大器被广泛应用于各种不同的频率范围，功率电平范围可从1W到几kW不等。

图3.8 具有并联电容的E类功率放大器基本电路

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图3.9 简化的E类功率放大器的等效电路及波形图

E类功率放大器的特性由其稳态条件下的集电极电压波形和电流波形来确定。具有并联电容的E类功率放大器的基本电路如图3.8所示，它的负载网络由与晶体管并联的电容C、串联电感L、调谐于基波的串联LC电路和负载电阻RL共同组成。并联电容C包含了功率管内部的输出电容和加在负载网络的外部电容两部分。电源通过RF扼流圈馈电到晶体管集电极，此RF扼流圈对基波频率具有高电抗，可以认为只允许直流电流通过。晶体管可以认为是理想开关，处于开或关的状态，简化等效电路如图3.9所示。集电极电压是由开关导通和断开状态时的负载网络的瞬态响应决定的。

3.6.2 具有并联电路的E类功率放大器

具有并联电路的E类射频功率放大器是具有并联电容的E类射频功率放大器的变形，在并联电路E类射频功率放大器中，晶体管也工作在开关状态，产生的电流和电压波形不会同时出现，以减小功率耗散，增大功率放大器效率。这种工作模式的实现依靠的是合适地选择其负载网络中的电抗元件的值，使之失谐于基波频率。对于并联电路E类功率放大器，电路图所要求的波形、相位角和电路元件值是与具有并联电容的E类功率放大器不一样的。

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4 具有并联电容的E类功率放大器设计

E类功率放大器属于开关类功率放大器，其输入信号与输出信号之间不存在线性函数关系，不能直接放大非恒包络信号，所以不适用于传统的发射机结构。然而在一些新的发射机结构中，如包络分离恢复技术、异相功率发射系统、极坐标发射机等，高效率E 类功率放大器却有着重要的应用价值。本章主要讨论E类功率放大器的设计方法、设计原则和设计步骤。

4.1 E类射频功率放大器原理分析

传统集总参数结构E类功率放大器由电源、功放管与负载网络等部分组成。为功放管提供适当的直流电压和偏置电压，在驱动信号的作用下可使其工作在开关状态。在理想的情况下，特定的负载网络可使功放管的集电极电压和集电极电流的时域波形不出现交叠，即在功放管的漏极不同时出现电压和电流，从而使功放管的能耗为零，放大器的工作效率100％。

图4.1 具有并联电容的E类功率放大器基本电路

图4.1为E类功率放大器电路原理图。在理想模型中，一般忽略功放管的内部参数，RFC为射频扼流圈，LC构成串联谐振回路，即滤波电路，C1是晶体管输入电容，为分布电容和外接电容的总和，RL为负载。

图4.2 简化的E类功率放大器的等效电路

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简化的E类功率放大器的等效电路如图4.2所示，为了便于分析，现在作出下列假设： (1)晶体管饱和电压和饱和电阻都是零，开路电阻为无穷大，开关状态的转换可以视为瞬时和无损耗的。

(2)并联电容C独立于集电极，并假设它是线性元件。

(3)射频扼流圈仅允许直流电流通过，且射频扼流圈对直流电流的电阻为零。 (4)串联谐振回路LC调谐于基频，ω=1/LC 串联谐振回路LC也具有足够高的有载品质因数，可以认为开关频率的输出电流是正弦的。

(5)除负载电阻RL之外，电路的其他部分均为无损耗的理想电路。 (6)使用50％占空比的最佳工作模式。

经分析推导可得，在ic间隔内归一化稳态集电极电压波形的表达式为

ｕ（ωt）/Vcc=π(ωt-3π/2-π/2 cosωt -sinωt) (4-l)

在0≤ωt＜π间隔内的电流波形表达式为

i（ωt）/I=ωt-3π/2-π/2 cosωt –sinωt (4-2)

从式（4-l）和式（4-2）可以看出，当功率管“闭合”时，开关两端即集电极上没有电压，电流i由通过功率管的负载正弦电流和直流电流组成。但是，当功率管“断开”时，电流流过并联电容C 。

因为集电极电压与集电极电流没有同时存在，这意味着不存在集电极上的功率损耗，也就是理想集电极效率为100 %，直流功率和基波输出功率相等，即

IVcc=I2RR/2 (4-3) 直流供电电流的值为

I=8Vcc/R(π2+4)=0.577 Vcc/R (4-4) 输出电压URL的幅值可由下式求得

URL=4Vcc/√π2+4 =1.074Vcc (4-5)

最佳的串联电感ic和并联电容ic可从下式求得 ωL/RL=UL/URL=1.1525 (4-6) ωCRL=ωCURL /IR=0.1836 (4-7) 如果给定供电电压Vcc和输出功率Pout那么最佳负载电阻RL可用下式求得

RL=8V2cc/Pout(π2+4)=0.5768 V2cc/ Pout (4-8) 以上对E 类工作条件的分析是在理想化条件的假设下进行的，没有考虑到实际电路中的寄

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