E 類放大器概述

　　圖 1 顯示了基本 E 類階段的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　一個(gè)非常基本的 E 類放大器的原理圖。

　　圖 1.一個(gè)非常基本的 E 類放大器的原理圖。
　　E 類放大器的發(fā)明者初將其定義為滿足以下條件的開關(guān)模式電路：
　　開關(guān)電壓的上升延遲到晶體管關(guān)斷之后。
　　當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓為零。
　　在開關(guān)關(guān)閉的瞬間，開關(guān)電壓的斜率也為零。

　　我們現(xiàn)在將其稱為零電壓開關(guān) （ZVS） E 類放大器——圖 1 顯示了該系列中復(fù)雜性的成員。還有零電流開關(guān) （ZCS） E 類放大器，它們將上述條件應(yīng)用于開關(guān)電流而不是開關(guān)電壓，但我們今天不會(huì)討論它們。

　　圖 2 顯示了圖 1 中電路的典型開關(guān)波形。
　　ZVS E 類放大器中的典型開關(guān)電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形。
　　圖 2.ZVS E 類放大器中的典型開關(guān)電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形。圖片由 Steve Arar 提供
　　正如文章引言所指出的，開關(guān)電壓 （V西 南部） 或電流為零 （我西 南部） 在任何給定時(shí)間。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾妷翰ㄐ?。分流電?（Csh） 的 S Git，使其足夠大以延遲V西 南部直到開關(guān)電流降至零。

　　當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電路減少為阻尼二階系統(tǒng)，其電感和電容器中存儲(chǔ)了一些初始能量（圖 3）。該系統(tǒng)中儲(chǔ)存的能量是產(chǎn)生V西 南部波形。

　　當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，E 類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
　　圖 3.開關(guān)關(guān)閉時(shí) E 類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。圖片由 Steve Arar 提供
　　根據(jù)元件值，圖 3 中的電路可以產(chǎn)生三種不同類型的瞬態(tài)響應(yīng)：過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼。圖 4 顯示了具有一些任意元件值和初始條件的串聯(lián) RLC 電路的瞬態(tài)響應(yīng)。

　　串聯(lián) RLC 電路表現(xiàn)出的欠阻尼、臨界阻尼和過阻尼響應(yīng)。

　　圖 4.串聯(lián) RLC 電路可以產(chǎn)生過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼響應(yīng)。圖片由 Steve Arar 提供
　　什么類型的響應(yīng)可取？讓我們看一下下一節(jié)。
　　了解瞬態(tài)響應(yīng)
　　從電路論課程中，我們知道二階系統(tǒng)的自然響應(yīng)是由其特征方程的根決定的。對(duì)于串聯(lián) RLC 電路，根為：　s = ?α ± j√ω20 ? α2方程 1.
　　哪里：
　

? =R2LR2L

?0 = √1LC

　　根的位置 s1和 s2在 S 平面上，如圖 5 所示，幫助我們了解電路的行為。

　　s 平面上二階系統(tǒng)的根。

　　圖 5.s 平面上二階系統(tǒng)的根。圖片由 Richard C. Dorf 提供
　　從公式 1 中，很容易驗(yàn)證過阻尼系統(tǒng) （>0）具有兩個(gè)截然不同的真實(shí)根源。臨界阻尼系統(tǒng) （ = 0），但是，會(huì)生成兩個(gè)相同的根。在圖 5 中，我們觀察到臨界阻尼系統(tǒng)的相同根位于過阻尼系統(tǒng)的兩個(gè)根之間。換句話說，過阻尼系統(tǒng)導(dǎo)致更接近 jω 軸的根。
　　過阻尼系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)是兩個(gè)衰減指數(shù)函數(shù)之和，其中衰減率由根值決定。越靠近 jω 軸的根產(chǎn)生一個(gè)指數(shù)項(xiàng)，該指數(shù)項(xiàng)的衰減速度較慢。與臨界阻尼系統(tǒng)相比，這個(gè)根可以主導(dǎo)瞬態(tài)響應(yīng)，并使系統(tǒng)的響應(yīng)速度更慢。這與我們?cè)趫D 4 中看到的情況一致，很明顯，臨界阻尼系統(tǒng)更快地接近終值。
　　，雖然過阻尼和臨界阻尼系統(tǒng)的根是真實(shí)的，但欠阻尼系統(tǒng) （ <0） 產(chǎn)生復(fù)雜的共軛根。這導(dǎo)致了指數(shù)阻尼的正弦振蕩，如圖 4 的紅色曲線所示。
　　E 類負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的性能
　　這一切對(duì) E 類放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)意味著什么？首先，如果我們使用過多的阻尼，響應(yīng)會(huì)很慢。如果太慢，當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，開關(guān)兩端的電壓可能不會(huì)歸零，從而導(dǎo)致功率損失。過阻尼網(wǎng)絡(luò)還可能導(dǎo)致二次擊穿，當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓和集電極電流同時(shí)存在時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種晶體管故障。
　　另一方面，如果阻尼太小，電路的振蕩行為會(huì)導(dǎo)致開關(guān)導(dǎo)通瞬間出現(xiàn)負(fù)電壓。如果集電極電壓低于驅(qū)動(dòng)器提供的基極 OFF 電壓，晶體管可能會(huì)進(jìn)入反向活動(dòng)模式。在這種模式下，可能會(huì)損壞晶體管，但不確定。它還可以增加放大器的功率耗散。
　　當(dāng)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)作為臨界阻尼網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)，可實(shí)現(xiàn) E 類級(jí)的性能。在這種情況下，V西 南部盡快達(dá)到 0 V，而不會(huì)表現(xiàn)出任何振蕩行為。此外V西 南部接近 0 V，斜率為零。您可能還記得本文開頭的內(nèi)容，這是 ZVS E 類放大器的兩個(gè)必要條件。
　　現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了瞬態(tài)響應(yīng)，讓我們回顧一下 E 類放大器的設(shè)計(jì)方程并舉一個(gè)例子。
　　設(shè)計(jì)方程式
　　計(jì)算 E 類放大器中的電壓和電流波形比 D 類放大器要復(fù)雜一些。在這里，我們將看看終的設(shè)計(jì)方程。我們將把他們的數(shù)學(xué)推導(dǎo)留到以后的文章中。
　　在 50% 的占空比下，調(diào)諧電路應(yīng)在基頻下提供電感元件，以產(chǎn)生 E 類波形。負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在基頻處應(yīng)呈現(xiàn)的阻抗由下式給出：　ZL = RL × (1 + j1.1525)　　方程 2.
　　哪里RL是負(fù)載電阻。
　　與我們研究過的其他放大器類別不同，工作頻率下的負(fù)載電抗不為零。相反，正如我們?cè)谏厦娴姆匠淌街锌吹降哪菢?，它?shí)際上與RL.還值得注意的是ZL與輸入驅(qū)動(dòng)電平和集電極電源電壓無關(guān)。
　　分流電容 （Csh） 由下式給出：
　　Csh = 12πfRL × 5.447
　　5.447
　　方程 3.

　　其中 f 是操作頻率。如果不滿足公式 3，則輸出功率將不理想。晶體管的本征輸出電容本身通常不夠大，我們需要增加一些額外的分流電容才能達(dá)到所需的值?！　?/p>

    使用Csh，我們可以計(jì)算出所需的串聯(lián)電容 （C0） 和電感 （L0):　C0 = Csh × 5.447Q × (1 + 1.42Q ? 2.08)

　　方程 4.
　L0 = QRL2πf
　　方程 5.
　　其中 Q 是電路的品質(zhì)因數(shù)。為了限度地提高效率，我們通常選擇滿足應(yīng)用程序帶寬要求的 Q。
　　，的RL與輸出功率 （P外） ：
　  RL = 0.577 × (Vcc ? Vs一個(gè)t)2Pout
　　　方程 6.
　　哪里V坐是晶體管的飽和電壓。
　　封裝寄生效應(yīng)和晶體管的非線性輸出電容使得在高頻下找到元件值變得具有挑戰(zhàn)性。盡管如此，一旦我們選擇合適的 Q 因子，使用上述公式設(shè)計(jì) E 類功率放大器通常非常簡(jiǎn)單。在下一節(jié)中，我們將通過一個(gè)設(shè)計(jì)示例來熟悉該過程。
　　示例：設(shè)計(jì) E 類放大器
　　我們指定一個(gè) E 類放大器的器件額定值和元件值，該放大器在 1 MHz 時(shí)為 50 Ω負(fù)載提供 1.66 W 的功率。假設(shè)一個(gè)理想的晶體管，其中V坐= 0 且輸出電路的 Q 為 10。
　　首先，我們使用公式 6 確定所需的電源電壓：
　RL = 0.577 × (Vcc ? Vs一個(gè)t)2Pout50 = 0.577 × (Vcc ? 0)21.66Vcc = 12 V
　Csh = 12πfRL × 5.447 = 12π × 1 × 106 × 50 × 5.447 = 584  pF　　方程 7.
　　然后，我們應(yīng)用公式 3 來找到所需的分流電容：
　C0 = Csh × 5.447Q × (1 + 1.42Q ? 2.08)C0 = 584  pF × 5.44710 × (1 + 1.4210 ? 2.08)C0 = 374 pF
　　方程 8.
　　，我們通過將剛才找到的值分別代入公式 4 和 5 來計(jì)算串聯(lián)電容和電感：

C0 = Csh × 5.447Q × (1 + 1.42Q ? 2.08)C0 = 584  pF × 5.44710 × (1 + 1.4210 ? 2.08)C0 = 374 pFC0=Csh×5.447Q×(1+1.42Q?2.08)C0=584pF×5.44710×(1+1.4210?2.08)C0=374pF

方程 9.

L0 = QRL2πf = 10 × 502π × 1 × 106 = 79.6 μH

　　總結(jié)我們的結(jié)果，我們有：
　　電源電壓為 12 V （V抄送= 12 V）。
　　分流電容為 584 pF （Csh= 584 pF）。
　　A 級(jí)電容為 284 pF （C0= 374 pF）。
　　79.6 μH 的串聯(lián)電感 （L0= 79.6 μH）。
　　由于輸出電壓中的電抗元件，E 類級(jí)的峰值電壓擺幅是電源電壓的 3.56 倍。峰值開關(guān)電流約為 1.7V抄送/RL.因此，我們的晶體管電壓為 47.27 V，晶體管電流為 0.41 A。