0 引言
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/259688.htm功率放大器的效率包括放大器件效率和輸出網絡的傳輸效率兩部分。功率放大器實質上是一個能量轉換器，把電源供給的直流能量轉換為交流能量。電晶體轉換能量的能力常用集電極效率ηc來表示，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就要儘量減小集電極耗散功率Pc。由於Pc是集電 極瞬時電壓與集電極瞬時電流在一個周期內的平均值。對於A、B、C類功率放大器來說，由於功率放大管工作於有源狀態，集電極電流ic和集電極電壓vc都比 較大，因而，電晶體的集電極耗散功率也比較大，放大器的效率也就難以繼續提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作狀態的改進上。A、B、C功率 放大器提高效率的途徑是以減小導通角和增大激勵功率為代價。
另一種提高效率的途徑是使電晶體工作在開關狀態，即當ic流通時口vc很小，甚 至趨近於零；當ic截止時，vc很大，從而達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不同時出現」的原理來設計的，使得在任 一時刻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構。經過30多年的發展，E類放大器以其結構簡單、效率高、可設計性強等優點，得到了廣 泛的應用，其理論效率可達100％，實際效率達95％。
在E類功率放大電路中，並聯電容的作用十分重要，它主要用來保證在電晶體截止的時間裡，使集電極電壓保持十分低的一個值，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類功率放大器並 聯電容的研究成為國內外的熱點問題。本文將分析E類功率放大器中的並聯電容及一些電路相關問題。
1 E類功率放大器電路結構
典型的E類功率放大器電路原理如圖1所示，其中SW為等效電晶體開關(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout為電晶體寄生輸出電容，Cext為附加電容，L1為高頻扼流圈，L2，C2為串聯諧振迴路，但並不諧振於激勵信號的基頻，R為等效負載電阻。
2 並聯電容及分析
2.1 並聯電容
在 E類功率放大器中，電晶體工作在開關狀態，當電晶體開關閉合時，集電極電壓理想情況下將為零，同時將產生較大的集電極電流；當開關斷開時，沒有集電極電流 流過電晶體，但是存在集電極電壓，從而避免了電晶體電流、電壓的同時存在，減小電晶體在全開、全閉狀態下的功率耗損。電晶體並聯電容(C1)的作用是在晶 體管由閉合到斷開的瞬間保持在0 V狀態下的集電極電壓口vc。
2.2 並聯電容對電路的影響
低頻狀態下工作時，並聯電容假設為一個恆定不變的值。但是，隨著頻率的不斷增加，當達到或超過900 MHz時，並聯電容大小將和電晶體集電極——襯底之間的寄生電容大小相比擬。因此，需要對高頻情況下的並聯電容進行分析。
並聯電容包括兩部分：一部分是非線性電晶體寄生輸出電容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是線性附加電容Cext
式中：Cj0為零偏壓時的電容；Vbi是電晶體內建電勢(通常為0.5～0.9 V)；n為pn結的結漸變係數。
E類功率放大器中非線性電容的存在對電路產生了諸多不良影響，如增加流過電晶體的最大電壓、增加耗損、降低效率。並聯電容的電納會影響E類功率放大器效率能否達到100％。式(3)給出了放大器頻率和電容的函數關係。當電納達到最大時能保證功率放大器理論效率為1
式中：y為功率放大器導通角；Bmax為最大電納；R為輸出負載。從上式可以看出，放大器最大頻率和線性並聯電容的函數關係。圖2為信號佔空比為50％時，根據該函數關係的並聯電容與放大器最大頻率關係的曲線圖。
2.3 並聯電容計算方法
為了方便對非線性電容進行分析和計算，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 性等效電容是一個恆定不變的電容(因此可認為是線性的)，能夠代替非線性電晶體輸出寄生電容Cout(v)，同時在電晶體開關閉合期間的最後時刻又能產生 和使用非線性電容時相同的歸一化工作狀態(即在電晶體開關開啟瞬間集電極為零電壓)，並且保持放大器其他元件的值。用這個等效電容取代非線性電晶體寄生輸 出電容後，可以採用傳統設計方法設計E類功率放大器，並且能達到同樣的目的。
形狀因子用來表徵並聯電容C1的非線性程度，表達式為
當α=0時，C1為線性；α=1時，放大器並聯電容完全由非線性電晶體輸出寄生電容Cout(v)構成。
為了計算這個等效電容，需要知道器件的輸出電容與電壓的關係。因此，每一個影響VD(t)的放大器參數都會同樣影響Cout(v)。因此，電源電壓和形狀因子在對CEQ的影響上起著重要作用，表達式為
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為電晶體漏端電壓波形受形狀因子α的影響變化情況。
要 計算出準確的等效電容值，首先必須有一個完全線性的E類功率放大器電路，採用傳統功率放大器電路分析方法從中獲得線性並聯電容C1。用C1代替不是完全非 線性的非線性電容，並通過不斷改變Cj0的值直到滿足最大工作效率狀態，即ZVS(zero-voltage switching)和ZVDS(zero-voltage-derivative switching)。此時得到的非線性電容值即為前文提到的線性等效電容。
3 合併聯電容的E類功率放大器設計方法
由 於並聯電容對放大器電路的影響，含並聯電容的E類功率放大器設計方法與傳統方法有所不同。在設計中需要充分考慮並聯電容的影響，在不同pn結漸變係數、不 同信號佔空比等條件下，通過計算滿足最優化工作狀態ZVS和ZVDS時放大器的電路元件參數值，如附加電容、諧振電容和電感、補償電抗、負載等，從而獲得 放大器的設計參數。文獻[5]給出了針對任意形狀因子、信號佔空比、負載品質因數的E類功率放大器的詳細設計流程圖，並給出了負載品質因數為5時的設計數 值結果表，為廣大設計者提供了設計參考。
4 結語
並聯電容在E類功率放大器中的作用十分重要，受到了人們的廣泛關注。本文對E類功率放大器中的並聯電容進行了詳細的介紹，並給出了計算方法；對並聯電容在E類功率放大器中的作用進行了分析，同時還給出了含並聯電容的E類放大器設計方法，以方便E類功率放大器的設計。