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功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率兩部分。功率放大器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，把電源供給的直流能量轉(zhuǎn)換為交流能量。晶體管轉(zhuǎn)換能量的能力常用集電極效率ηc 來(lái)表示，定義為

式中：PDC 為電源供給的直流功率；Pout 為交流輸出功率；Pc 為消耗在集電極上的功率。表明要增大ηc 就要盡量減小集電極耗散功率 Pc。由于 Pc 是集電極瞬時(shí)電壓與集電極瞬時(shí)電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。對(duì)于 A、B、C 類功率放大器來(lái)說(shuō)，由于功率放大管工作于有源狀態(tài)，集電極電流 ic 和集電極電壓 vc 都比較大，因而，晶體管的集電極耗散功率也比較大，放大器的效率也就難以繼續(xù)提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作狀態(tài)的改進(jìn)上。A、B、C 功率放大器提高效率的途徑是以減小導(dǎo)通角和增大激勵(lì)功率為代價(jià)。

另一種提高效率的途徑是使晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，即當(dāng) ic 流通時(shí)口 vc 很小，甚至趨近于零；當(dāng) ic 截止時(shí)，vc 很大，從而達(dá)到減小集電極耗散功率 Pc 的目的。E 類功率放大器就是按照“ic 與 vc 不同時(shí)出現(xiàn)”的原理來(lái)設(shè)計(jì)的，使得在任一時(shí)刻 ic 與 vc 的乘積均為零，Pc 亦為零。1975 年 N.O. Sokal 和 A.D.Sokal 首次提出了 E 類功率放大器的電路結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，E 類放大器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用，其理論效率可達(dá) 100％，實(shí)際效率達(dá) 95％。

在 E 類功率放大電路中，并聯(lián)電容的作用十分重要，它主要用來(lái)保證在晶體管截止的時(shí)間里，使集電極電壓保持十分低的一個(gè)值，直到集電極電流減小到零為止。集電極電壓的延遲上升，是 E 類功率放大器高效率工作的必要條件。因此 E 類功率放大器并聯(lián)電容的研究成為國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文將分析 E 類功率放大器中的并聯(lián)電容及一些電路相關(guān)問(wèn)題。

1、E 類功率放大器電路結(jié)構(gòu)

典型的 E 類功率放大器電路原理如圖 1 所示，其中 SW 為等效晶體管開關(guān)（可以是 BJT、HBT 或 MOSFET 等器件），Cout 為晶體管寄生輸出電容，Cext 為附加電容，L1 為高頻扼流圈，L2，C2 為串聯(lián)諧振回路，但并不諧振于激勵(lì)信號(hào)的基頻，R 為等效負(fù)載電阻。

2、并聯(lián)電容及分析

2.1 并聯(lián)電容

在 E 類功率放大器中，晶體管工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)晶體管開關(guān)閉合時(shí)，集電極電壓理想情況下將為零，同時(shí)將產(chǎn)生較大的集電極電流；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，沒有集電極電流流過(guò)晶體管，但是存在集電極電壓，從而避免了晶體管電流、電壓的同時(shí)存在，減小晶體管在全開、全閉狀態(tài)下的功率耗損。晶體管并聯(lián)電容（C1）的作用是在晶體管由閉合到斷開的瞬間保持在 0 V 狀態(tài)下的集電極電壓口 vc。

2.2 并聯(lián)電容對(duì)電路的影響

低頻狀態(tài)下工作時(shí)，并聯(lián)電容假設(shè)為一個(gè)恒定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當(dāng)達(dá)到或超過(guò) 900 MHz 時(shí)，并聯(lián)電容大小將和晶體管集電極——襯底之間的寄生電容大小相比擬。因此，需要對(duì)高頻情況下的并聯(lián)電容進(jìn)行分析。

并聯(lián)電容包括兩部分：一部分是非線性晶體管寄生輸出電容 Cout（v），如式（2）所示，另一部分是線性附加電容 Cext

式中：Cj0 為零偏壓時(shí)的電容；Vbi 是晶體管內(nèi)建電勢(shì)（通常為 0.5～0.9 V）；n 為 pn 結(jié)的結(jié)漸變系數(shù)。

E 類功率放大器中非線性電容的存在對(duì)電路產(chǎn)生了諸多不良影響，如增加流過(guò)晶體管的最大電壓、增加耗損、降低效率。并聯(lián)電容的電納會(huì)影響 E 類功率放大器效率能否達(dá)到 100％。式（3）給出了放大器頻率和電容的函數(shù)關(guān)系。當(dāng)電納達(dá)到最大時(shí)能保證功率放大器理論效率為 1

式中：y 為功率放大器導(dǎo)通角；Bmax 為最大電納；R 為輸出負(fù)載。從上式可以看出，放大器最大頻率和線性并聯(lián)電容的函數(shù)關(guān)系。圖 2 為信號(hào)占空比為 50％時(shí)，根據(jù)該函數(shù)關(guān)系的并聯(lián)電容與放大器最大頻率關(guān)系的曲線圖。

2.3 并聯(lián)電容計(jì)算方法

為了方便對(duì)非線性電容進(jìn)行分析和計(jì)算，2000 年 A.Mediano 等人提出了線性等效電容和形狀因子的概念，分別用 CEQ 和α表示。

線性等效電容是一個(gè)恒定不變的電容（因此可認(rèn)為是線性的），能夠代替非線性晶體管輸出寄生電容 Cout（v），同時(shí)在晶體管開關(guān)閉合期間的最后時(shí)刻又能產(chǎn)生和使用非線性電容時(shí)相同的歸一化工作狀態(tài)（即在晶體管開關(guān)開啟瞬間集電極為零電壓），并且保持放大器其他元件的值。用這個(gè)等效電容取代非線性晶體管寄生輸出電容后，可以采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì) E 類功率放大器，并且能達(dá)到同樣的目的。

形狀因子用來(lái)表征并聯(lián)電容 C1 的非線性程度，表達(dá)式為

圖 3 所示為不同電源電壓情況下等效電容的變化情況；圖 4 為晶體管漏端電壓波形受形狀因子α的影響變化情況。

要計(jì)算出準(zhǔn)確的等效電容值，首先必須有一個(gè)完全線性的 E 類功率放大器電路，采用傳統(tǒng)功率放大器電路分析方法從中獲得線性并聯(lián)電容 C1。用 C1 代替不是完全非線性的非線性電容，并通過(guò)不斷改變 Cj0 的值直到滿足最大工作效率狀態(tài)，即 ZVS（zero-voltage switching）和 ZVDS（zero-voltage-derivative switching）。此時(shí)得到的非線性電容值即為前文提到的線性等效電容。

3、 合并聯(lián)電容的 E 類功率放大器設(shè)計(jì)方法

由于并聯(lián)電容對(duì)放大器電路的影響，含并聯(lián)電容的 E 類功率放大器設(shè)計(jì)方法與傳統(tǒng)方法有所不同。在設(shè)計(jì)中需要充分考慮并聯(lián)電容的影響，在不同 pn 結(jié)漸變系數(shù)、不同信號(hào)占空比等條件下，通過(guò)計(jì)算滿足最優(yōu)化工作狀態(tài) ZVS 和 ZVDS 時(shí)放大器的電路元件參數(shù)值，如附加電容、諧振電容和電感、補(bǔ)償電抗、負(fù)載等，從而獲得放大器的設(shè)計(jì)參數(shù)。文獻(xiàn)［5］給出了針對(duì)任意形狀因子、信號(hào)占空比、負(fù)載品質(zhì)因數(shù)的 E 類功率放大器的詳細(xì)設(shè)計(jì)流程圖，并給出了負(fù)載品質(zhì)因數(shù)為 5 時(shí)的設(shè)計(jì)數(shù)值結(jié)果表，為廣大設(shè)計(jì)者提供了設(shè)計(jì)參考。

4 、結(jié)語(yǔ)

并聯(lián)電容在 E 類功率放大器中的作用十分重要，受到了人們的廣泛關(guān)注。本文對(duì) E 類功率放大器中的并聯(lián)電容進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并給出了計(jì)算方法；對(duì)并聯(lián)電容在 E 類功率放大器中的作用進(jìn)行了分析，同時(shí)還給出了含并聯(lián)電容的 E 類放大器設(shè)計(jì)方法，以方便 E 類功率放大器的設(shè)計(jì)。