如何调谐 E 类放大器
2024-12-03 10:10:30
晨欣小编
在本文中，我们将探讨专为E类放大器设计的成熟调谐方法。即使我们无法直接得知负载网络组件的精确值，依然可以通过此过程微调组件，以达到最佳性能。
调整以优化放大器性能
E类放大器的基本拓扑结构通常由串联电感、并联电容以及负载网络组成。为了确定电路元件的值，我们依照之前介绍的设计方程。然而，尽管E类放大器对电路参数变化有一定的容忍度，我们仍需要细心调整元件值，以确保放大器的最佳性能。
波形特征与调谐
放大器的性能往往与开关波形的质量紧密相关。当开关接通时，其两端的电压应为零，并且开关电压的斜率在接通瞬间为零，同时占空比保持在50%。如果这些条件未能满足，我们便需通过调整放大器元件来纠正波形的失真。
寻找可靠的调整指标
在调谐E类放大器时，我们无法单纯依赖直流输入功率（P_in）或射频输出功率（P_out）作为调整的直接指标。这是因为负载网络的阻抗相位角（负载角）会影响这些功率参数的变化，而E类放大器对负载角的依赖关系较为复杂。我们可以通过波形的变化来反映负载角的影响，而不仅仅通过功率测量。
对于E类放大器，串联RLC电路的有效阻抗可以用以下公式表示：
ZL=RL×(1+j1.1525)
其中，负载角（?）为：
θ=tan−1(1.1525)=49.052∘
由此可见，负载角对效率（η）、输入功率（P_in）和输出功率（P_out）的影响并不是线性的。通过图示可以发现，只有效率在接近49度时具有最优值，这使得P_in和P_out不再是合适的调整指标。
电路参数变化对开关波形的影响
放大器失调时，开关两端的电压波形表现为一个峰值和一个谷值。通过调整电路中的并联电容器（C_sh）、串联电容（C_0）、串联电感（L_0）以及负载电阻（R_L），波形的谷值位置会发生变化。具体来说：
增加C_sh会使波形的波谷向上和向右移动。
增加C_0和L_0会使波谷向下并向右移动。
增加R_L会使波谷向上移动。
在实际操作中，R_L通常不是RF电路中可调的参数，因此调节的重点集中在L_0、C_0和C_sh的变化上。
调整过程
现在我们来详细描述整个调整过程，确保调谐过程的每个步骤都能正确完成。
第1步：确定串联电感
首先，根据负载电阻（R_L）和Q因数，使用以下关系选择适当的电感（L_0）：
L0=Q×RL×ω
其中，ω是角频率。在整个调谐过程中，R_L、L_0和操作频率应保持其标称值。
第2步：调整电源电压和占空比
在步骤1完成后，向电路施加一个较低的直流电源电压（大约4V），并将占空比调整为50%。使用低电压是为了防止在调谐过程中损坏晶体管，因为失调的放大器可能会导致过高的集电极电压或功耗。
为了确保占空比为50%，可以通过基极电压波形来辅助调节。具体来说，基极电压（V_BE）上升到0.8V时，表示晶体管导通，而下降到0V时，表示关断。
第3步：找到波谷并调整电容
接下来，找到电压波形中的波谷，并根据波谷的位置调整C_sh和C_0。例如，当波形的波谷偏向右侧时，可能需要降低C_sh来将波谷移动到合适位置。如果波谷无法直接观察到，我们可以通过视觉估计波谷的近似位置。
第4步：逐步增加电源电压至标称值
此时，可以逐步增加直流电源电压（V_cc），直到达到标称电压。在此过程中，可能需要重新调整C_sh、C_0以及占空比。原因是电源电压的增加会导致集电极-基极电容发生变化，从而影响C_sh的有效值。
第5步：验证调优结果
完成上述调节后，最终的电压波形应接近于理想的开关波形。为了验证调优效果，可以稍微增加C_sh，再观察波形的变化。理想情况下，波形的导通瞬间电压应明显下降。如果这一调整成功，说明调谐已经完成。
总结
通过这一系列的步骤，我们能够在不完全了解负载网络内部组件的情况下，利用E类放大器的开关波形对电路进行调谐。整体过程可以总结为：
根据负载电阻、Q因数和工作频率选择适当的串联电感。
向电路施加低电压并调整占空比至50%。
调整C_sh和C_0，以使波形的波谷位置达到预期。
增加电源电压至标称值，并根据需要重新调整。
通过微调电容验证调谐结果。
这一过程为E类放大器的调谐提供了一种有效的方法，使我们能够在面对不完全理想的负载网络时，依然能够实现优异的性能表现。
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