A類功率放大器簡介：共發射極PA
射頻放大器設計是一項具有挑戰性的任務，涉及線性度、效率、增益和輸出功率之間的權衡。在這里，我們研究共發射極電路如何能夠或不能用作功率放大器。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202401/454421.htm本系列之前的文章討論了小信號放大器，它通常設計用于增益和線性，而不是功率傳輸。如果接下來的電路具有純電容輸入阻抗，則小信號放大器可能會提供特定的電壓或電流增益，而不會向實際負載傳輸任何明顯的功率。由于小信號放大器不處理高功率電平，因此功率處理能力和功率效率也不是其主要設計要求。
在接下來的幾篇文章中，我們將討論一些截然不同的內容：射頻功率放大器。功率放大器（PA）出現在發射機的輸出端，負責將射頻功率傳輸到天線。我們可以預計功率放大器的峰值交流電流在200毫安或更高的范圍內——當然不是小信號。
這讓我們區分了功率放大器和線性小信號放大器的重要區別。功率放大器的交流電流通常與其靜態偏置電流相當。由于功率放大器處理大量的交流電流，而大偏置電流意味著線性操作較差，因此我們可以預期功率放大器基本上是非線性的。即使是A類功率放大器——最線性的功率放大器類型，也是本文的主要主題——通常被設計為提供等于晶體管偏置電流的峰值交流電流。
我們將通過檢查功率效率和功率處理能力的問題來開始我們對A類功率放大器的研究，這兩者在PA設計中都是最重要的。然后我們將看看我們是否可以通過使用共發射極級作為功率放大器來解決這些問題。在我們完成一些計算后，我們將介紹電感負載的A類功率放大器。
功率效率和功率處理能力
由于它們旨在提供大量的輸出功率，因此功率放大器是射頻收發器中最耗電的模塊。例如，如果向天線提供30 kW功率的功率放大器效率僅為50%，則放大器本身將消耗30 kW。這可能是一個相當具有挑戰性的熱管理問題。
效率是一個主要問題，無論PA是向廣播發射機的天線提供數十瓦的功率，還是向便攜式通信設備的天線提供幾瓦的功率。即使在低功耗的便攜式應用中，低效率的PA在產生可用輸出功率方面效率較低——事實上，PA會浪費電池提供的可用功率。使用更高效的PA，電池供電設備的使用時間可以更長。
另一個PA設計挑戰來自大型信號功率放大器通常要處理的問題?？紤]一個向50Ω天線提供1W射頻功率的便攜式設備。這需要提供20V的峰峰電壓擺幅和200mA的峰值電流通過天線。正如你所看到的，即使在這種低功率應用中，晶體管也必須處理高壓和電流水平，以在輸出端提供所需數量的射頻功率。
同時，在高功率應用中，有源器件必須處理遠高于此的電壓和電流。晶體管在它們可以處理的最大電壓和電流水平方面以及在不損壞的情況下可以燃燒的最大功率方面都受到限制，因此這可能是有問題的。
我們可以使用共發射極放大器作為PA嗎？
讓我們研究一下使用共發射極（或共源極）級作為功率放大器的可能性。我們能否通過使用足夠大的晶體管來有效地提供大量的輸出功率？假設圖1中所示的共發射極級向50Ω負載電阻（RL）提供1W的功率。
共發射極級電路圖。
圖1.共發射極放大器。
為了將圖1中的電路用作PA，我們顯然需要使用能夠耗散幾瓦到幾十瓦而不被損壞的功率晶體管。然而，首要問題仍然是如何最大化電路的輸出功率。
負載的電壓和電流的乘積決定了輸送的功率。為了實現最大輸出功率，應選擇偏置點以最大化負載的電壓和電流擺動。當晶體管被偏置在其有源區的中間時，實現最大擺動。為了找到合適的偏置點，我們為集電極支路寫了一個KVL方程：
方程式1
其中：
iC是集電極電流總和
vCE表示集電極和發射極之間的總電壓，包括直流和交流分量。
該方程式給出了電路的交流負載線，如圖2所示。任何可能的iC值和相應的vCE值都落在交流負載線上。
共射極放大器的交流負載線。
圖2:共發射極電路的交流負載線。偏置點（ICQ和VCEQ）可以在兩條虛線的交點處找到。
在我們的簡單示例中，交流和直流負載線是相同的。這使得確定電壓和電流限制變得容易——當晶體管處于截止狀態（iC = 0）時，整個電源電壓因此出現在集電極和發射極端子之間（vCE = VCC）。另一方面，對于飽和晶體管，集電極和發射極端子之間會出現非常小的電壓降（通常為0.1 V）。忽略這個很小的電壓降，我們找到了集電極電流的最大值：
方程式2
交流負載線顯示了電路中的電流和電壓限制。通過將所采用特定類型的晶體管（BJT、FET等）的特性曲線疊加在交流負載線上，我們可以很容易地確定信號何時超過晶體管的線性范圍。
為了獲得最大擺動，我們選擇交流負載線中間的偏置點（ICQ和VCEQ）。ICQ是靜態集電極電流：
VCEQ是靜態集電極-發射極電壓：
方程式3
VCEQ是靜態集電極-發射極電壓：
方程式4
因此，流經RL的峰值交流電流為：
方程式5
換句話說，在最大輸出功率的情況下，我們可以假設集電極電流由ICQ的偏置電流和振幅為ic，max的正弦電流分量組成：
方程式6
其中?是交流信號的頻率。
計算電源效率
傳遞給負載的功率有兩個組成部分：來自偏置電流的直流功率和我們希望最大化的交流功率。由于我們知道集電極的峰值交流電流（ic，max），我們可以計算傳遞給負載的交流功率的平均值，如下式所示：
方程式7
請注意，這是負載的最大交流功率。當交流信號不存在時，向負載提供的交流功率為零。
我們可以使用以下方程計算電源電壓提供的平均功率。方程6幫助我們創建右邊的更復雜的版本，這將很快證明是有用的：
方程式8
其中T是信號的周期。
正弦項在一個周期內的平均值為零，因此方程8簡化為：
方程式9
ICQ的公式可以在方程式3中找到。
最后，使用方程式7和9，放大器的最大效率計算為：
向負載輸送交流電
由電源提供的電力
方程式10
這意味著電源必須提供4 W才能向負載提供1 W。額外的3 W的一部分在晶體管中損失；其余部分作為RL中的直流功率損失。在實踐中，可實現的效率可能遠低于25%。
現在我們知道如何計算最大效率，讓我們找到最佳負載。
計算最佳負載
綜上所述，方程式3和4表明，RL和晶體管的偏置點之間必須存在某種關系，以使晶體管達到最大輸出功率。換句話說，對于給定的偏置條件，存在一個使輸出功率最大化的最佳負載。
基于最大功率傳輸定理，我們可能會認為最佳RL取決于晶體管的輸出阻抗。相反，它只取決于VCC和偏置點。這實際上是一個有趣（有時令人困惑）的點，但更詳細的解釋還有待另一天?，F在，讓我們考慮圖3中的共發射極電路。
共發射極放大器，電源電壓為12 V，靜態電流為750 mA。
圖3.電源電壓為12V、靜態電流為0.75A的共發射極放大器。
假設電源電壓VCC=12V，靜態電流ICQ=0.75A，RL的值是多少才能產生最大的輸出功率？
我們通過重寫方程3求解RL，得到最佳負載電阻的公式。
方程式11
對于上面給出的電源電壓和靜態電流值，計算結果為：
方程式12
圖4顯示了三個不同負載電阻值的負載線：RL = 4 Ω、8 Ω和13.33 Ω。該圖幫助我們直觀地了解給定靜態電流的不同負載電阻如何產生不同的電壓波動，從而產生不同的輸出功率值。
三種不同負載電阻值的負載線，包括最佳值。
圖4.三個不同負載電阻值的負載線：RL = 4 Ω（紫色），RL = 8 Ω（藍色），RL = 13.33 Ω（橙色）。
結果：
當RL = 4Ω時，我們觀察到在VCEQ = 9V時ICQ = 0.75A。在這種情況下，峰峰擺幅為6V（RL = 8Ω時擺幅的一半）。
最佳值RL=8Ω，導致VCEQ=6 V的直流收集器-發射器電壓，該電壓位于負載線的中間。
RL = 13.33 Ω導致VCEQ = 2 V，這再次產生了小于最佳值的峰間擺幅。
我們通過詢問是否可以使用簡單的共發射極級來有效地提供大量的輸出功率，開始了本文的計算部分。答案似乎是“否”。但為什么呢？
共發射極級的缺點
通過簡單的共發射極級，偏置電流始終流經負載。因此，僅僅為了偏置晶體管，負載中始終會浪費等于RLICQ2的直流功率。使用方程7，您可以驗證此直流功率是我們能夠提供給負載的最大交流功率的兩倍。
這是電路效率低的原因之一。此外，我們計算的是最大可能的效率。如果交流信號低于最大擺幅，效率會進一步下降。
該電路的另一個缺點是，對于給定的電源電壓，它提供的電壓擺動相對較小。例如，考慮向50Ω天線輸送1W射頻功率的問題。如上所述，這需要提供20V的峰峰值電壓擺動，以及通過天線的200mA峰值電流。
如圖2中的交流負載線所示，最大峰峰值擺幅等于VCC。因此，我們需要大于20 V的電源電壓才能為天線提供1 W的功率！許多便攜式設備使用的電源電壓要小得多。
電感負載A類功率放大器圖5顯示了一個更實用的A類放大器的基本原理圖。該放大器通過使用電感負載和隔直電容來規避上述一些問題。
電感負載A類放大器的電路圖。
圖5.電感負載A類放大器的基本示意圖。
讓我們來檢查上述模型的標記部分。
RL是電阻器。它代表我們希望為其供電的實際負載。
L1是電感器。它足夠大，可以在感興趣的頻率下充當交流開路電路——我們稱這種電感器為“RF扼流圈”。
VCC是電源電壓。正如我們在下一篇文章中看到的，電感負載級可以有對稱的電壓擺動，其值是VCC的兩倍。
Req是使輸出功率最大化的最佳負載。
C1是電容器。它阻斷直流電流，但在感興趣的頻率下充當交流短路。
匹配網絡用于將RL轉換為Req。由于匹配網絡幾乎總是使用電抗元件（電感器和電容器）來實現，因此傳輸到匹配網絡輸入端的功率會在RL中耗散。為了防止RL中的任何直流耗散，集電極通過C1連接到匹配網絡。如上所述，C1用于阻斷直流電流。
在本系列的下一篇文章中，我們將繼續更深入地討論電感負載A類放大器。
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