B類功率放大器介紹
B類功率放大器是如何工作的?是什么讓它比A類功率放大器更高效?在這篇文章中了解答案。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202401/454836.htm高效射頻功率放大器(PA)在許多應用中都至關重要,從手持通信設備到大型有源元件相控陣天線。例如,在上述手持設備中,更高的效率意味著更低的功耗,從而可以延長通話時間。
我們在之前的文章中了解到,電感性負載的A類放大器提供的最大可獲得效率僅為50%。本文介紹了B類功率放大器,其理論最大效率為78.5%。在討論了B類放大器的基本特性后,我們將探討效率差異的原因。
請注意,本文中使用的分析表達式是近似的,因為它們涉及大信號和強非線性,功率放大器級難以分析。然而,這些數字仍然有助于我們很好地理解電路的行為。
B類功率放大器特性
在B類放大器中,晶體管被偏置到剛好低于其導通點。當沒有完全導通時,晶體管被輸入信號的正半周期驅動導通。對于信號的另一半周期,當輸入信號為負時,晶體管保持截止狀態。如圖1所示。
晶體管作為B類功率放大器工作的示意圖。
圖1. 晶體管作為B類功率放大器的操作。圖片由Steve Arar提供
對于雙極型晶體管,我們需要將基極-發射極結偏置在大約0.7 V。對于FET器件,柵極-源極偏置在夾斷狀態。這些偏置點允許輸入的正半周期驅動晶體管導通。
傳導角度
我們將使用傳導角的概念來幫助我們描述功率放大器晶體管的工作。傳導角是晶體管導通的一個輸入周期的分數,以角度或弧度表示。例如,在A類放大器中,晶體管始終處于導通狀態,因此傳導角為360度。在B類放大器中,晶體管僅在信號周期的一半時間導通,因此傳導角為180度。
180度的精確導通角是一個數學概念,在實際應用中,B類放大器的導通角可能與這個理論值略有不同。然而,導通角的概念仍然是分類不同類型功率放大器的一種有用方法。在本文的后面,我們將討論如何將導通角從360度減小到180度,從而使B類放大器級實現比A類設計更高的效率。
典型波形
由于B級晶體管的間歇導通,流經晶體管的電流不是輸入信號的忠實再現(見圖1)。作為半波整流正弦波,輸出電流包含所施加信號的不同諧波。
如果我們讓這種失真的電流通過電阻負載,輸出電壓也會富含不同的諧波。然而,我們通常在輸出端有一個帶通或低通濾波器,可以充分抑制高次諧波分量。圖2顯示了一個單晶體管B類放大器。
單晶體管B類放大器的電路圖。
圖2:一個帶有單個晶體管的B類放大器示例。圖片由Steve Arar提供
RF扼流圈允許直流電流通過,但對RF信號而言,則相當于開路。輸入RF扼流圈設定基極-發射極電壓的靜態值;集電極處的RF扼流圈提供晶體管的直流電流。負載是一個交流耦合電阻器(RL),在基頻處有一個高Q諧振電路。
通過縮短諧波分量,高Q諧振儲能電路使輸出電壓在基頻處呈正弦波。圖3顯示了接近理想A、B和C類放大器的晶體管電流和輸出電壓波形。
近理想A、B和C類放大器的電流和電壓波形。
圖3. A、B和C類放大器的電流(a)和電壓(b)波形。圖片由George Vendelin提供
我們可以假設諧振并聯LC網絡在輸出端提供了一些諧波濾波。然而,由于晶體管的間歇導通,在B類和C類級中仍可觀察到一些諧波失真。A類級的輸出電壓和電流波形幾乎未失真。
計算B類放大器的效率
現在我們已經很好地了解了B類放大器的工作原理,讓我們計算一下單晶體管B類放大器的效率。假設晶體管電流是幅度為Ip、周期為T的半波整流正弦波,如圖4所示。
單晶體管B類放大器的輸出電流波形。
圖4. B類放大器晶體管的輸出電流。圖片由Steve Arar提供
使用傅里葉級數表示法,我們可以根據其組成頻率分量來表示輸出電流:
方程式1
其中?0是信號的角頻率。假設高Q諧振器消除了較高的諧波分量,則負載(RL)上的交流電壓可以計算為:
方程式2
現在我們有了輸出電壓,我們可以計算出傳遞給負載的均方根(rms)功率為:
方程式3
為了計算電源提供的功率,我們求出從電源中汲取的電流的平均值(圖4中的波形),并將其乘以電源電壓。根據方程1,半波整流信號的平均值為Ip/π。因此,電源提供的功率為:
方程式4
這個方程式,連同方程式3,給出了放大器的效率:
方程式5
為了找到放大器的最大效率,我們需要用VCC表示Ip的最大值。為了找到這種關系,請注意,輸出擺幅的最大幅度(由方程2給出)等于VCC。正如我們討論過的電感性負載A類放大器一樣,當晶體管的集電極(或漏極)通過RF扼流圈偏置時,情況就是這樣。輸出的直流偏置是VCC;輸出可以在VCC之上和之下擺動。
因此,根據方程式2,我們有:
方程式6
通過將上述公式替換為公式5中的Ip,我們找到了最大效率:
方程式7
與A類放大器相比的功率效率
為了更好地理解是什么使B類放大器比A類放大器更高效,讓我們先回顧一下是什么使A類放大器效率較低。
電感性負載的A類放大器提供相對較低的效率,因為晶體管始終處于偏置狀態,即使沒有施加信號,也會從電源中汲取恒定的直流電流。這導致大量功率消耗在晶體管中,而不是負載中。
圖5首次出現在“電感負載A類功率放大器簡介”中,展示了隨著集電極電流的增加,三個功率項在該類PA中的表現:
PCC:供電。
PL:負載功率。
PTran:晶體管功率。
該圖還繪制了放大器的功率效率(青色曲線)。
A類PA的電源功率、負載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關系圖。
圖5.電感性負載A類放大器的電源功率、負載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關系。圖片由Steve Arar提供
如您所見,在沒有交流信號的情況下,沒有功率被傳遞給負載。相反,晶體管耗散了電源提供的所有功率。然而,即使信號擺幅和效率達到最大值,晶體管中耗散的功率也等于傳遞給負載的功率。
那么,B類放大器是如何解決這個問題的呢?我們在圖3中看到,A類和B類放大器的輸出電壓幾乎相同。但是,當我們比較導通角時,我們觀察到B類晶體管的電流在信號周期的相對較小部分中不為零。
通過減少漏極電流和漏極電壓同時為非零的信號周期的比例,B類放大器降低了晶體管中的功耗。這是以使輸出高度失真為代價實現的,可以通過加入高Q諧振器或使用推挽式配置來解決,我們將在后面的文章中討論。
與A類放大器相比的輸出功率
但是,對于給定的晶體管和電源電壓,B級放大器的輸出功率與A級放大器相比如何?正如我們已經看到的,A級和B級放大器都可以具有大約VCC的最大擺幅。換句話說,假設晶體管的飽和電壓(VCE(sat))為零,峰峰擺幅將從零到2VCC。因此,給定電源電壓的輸出擺幅在兩種類型的放大器中是相同的。
現在,假設可以流過晶體管的最大電流被指定為Imax。通過電感性負載A級負載的最大交流電流為Imax/2,另一半Imax在晶體管中損失。當B級晶體管以其最大電流工作時,圖4所示的半波整流電流(Ip)的峰值等于Imax。
當Ip=Imax時,電流基波分量的幅值為Imax/2(方程1),這也等于A類放大器的負載電流擺動。這意味著,在給定相同的晶體管規格和相同的電源電壓的情況下,A類和B類級可以產生相同的最大交流電流和輸出電壓。(在本分析中,我們忽略了擊穿電壓對偏置點和電壓擺動的影響)。
因此,A類和B類設計都可以產生相同的最大輸出功率。此外,由于電壓和電流擺動相同,兩種設計的最佳負載電阻是相同的。
總結一下
B類放大器切斷輸入信號周期的一半,只使用剩余的一半來產生輸出信號,以換取效率的顯著提高。由于其作為熱量的浪費功率較少,B類放大器也可以比等效的A級運行更低。我們將在下一篇文章中更詳細地介紹B類功率放大器的配置——現在,我希望你已經發現這篇介紹有趣且內容豐富。
評論