射频E类功率放大器并联电容技术研究

0 引言

功率放大器的效率包括放大器件效率和输出网络的传输效率两部分。功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转换为交流能量。晶体管转换能量的能力常用集电极效率ηc来表示，定义为

式中：PDC为电源供给的直流功率；Pout为交流输出功率；Pc为消耗在集电极上的功率。表明要增大ηc就要尽量减小集电极耗散功率Pc。由于Pc是集电极瞬时电压与集电极瞬时电流在一个周期内的平均值。对于A、B、C类功率放大器来说，由于功率放大管工作于有源状态，集电极电流ic和集电极电压vc都比较大，因而，晶体管的集电极耗散功率也比较大，放大器的效率也就难以继续提高。功率放大器效率的提高，主要反映在放大器工作状态的改进上。A、B、C功率放大器提高效率的途径是以减小导通角和增大激励功率为代价。

另一种提高效率的途径是使晶体管工作在开关状态，即当ic流通时口vc很小，甚至趋近于零；当ic截止时，vc很大，从而达到减小集电极耗散功率Pc的目的。E类功率放大器就是按照"ic与vc不同时出现"的原理来设计的，使得在任一时刻ic与vc的乘积均为零，Pc亦为零。1975年N.O. Sokal和A.D.Sokal首次提出了E类功率放大器的电路结构。经过30多年的发展，E类放大器以其结构简单、效率高、可设计性强等优点，得到了广泛的应用，其理论效率可达100％，实际效率达95％。

在E类功率放大电路中，并联电容的作用十分重要，它主要用来保证在晶体管截止的时间里，使集电极电压保持十分低的一个值，直到集电极电流减小到零为止。集电极电压的延迟上升，是E类功率放大器高效率工作的必要条件。因此E类功率放大器并联电容的研究成为国内外的热点问题。本文将分析E类功率放大器中的并联电容及一些电路相关问题。

1 E类功率放大器电路结构

典型的E类功率放大器电路原理如图1所示，其中SW为等效晶体管开关(可以是BJT、HBT或MOSFET等器件)，Cout为晶体管寄生输出电容，Cext为附加电容，L1为高频扼流圈，L2，C2为串联谐振回路，但并不谐振于激励信号的基频，R为等效负载电阻。

2 并联电容及分析

2.1 并联电容

在E类功率放大器中，晶体管工作在开关状态，当晶体管开关闭合时，集电极电压理想情况下将为零，同时将产生较大的集电极电流；当开关断开时，没有集电极电流流过晶体管，但是存在集电极电压，从而避免了晶体管电流、电压的同时存在，减小晶体管在全开、全闭状态下的功率耗损。晶体管并联电容(C1)的作用是在晶体管由闭合到断开的瞬间保持在0 V状态下的集电极电压口vc。

2.2 并联电容对电路的影响

低频状态下工作时，并联电容假设为一个恒定不变的值。但是，随着频率的不断增加，当达到或超过900 MHz时，并联电容大小将和晶体管集电极——衬底之间的寄生电容大小相比拟。因此，需要对高频情况下的并联电容进行分析。

并联电容包括两部分：一部分是非线性晶体管寄生输出电容Cout(v)，如式(2)所示，另一部分是线性附加电容Cext

式中：Cj0为零偏压时的电容；Vbi是晶体管内建电势(通常为0.5～0.9 V)；n为pn结的结渐变系数。

E类功率放大器中非线性电容的存在对电路产生了诸多不良影响，如增加流过晶体管的最大电压、增加耗损、降低效率。并联电容的电纳会影响E类功率放大器效率能否达到100％。式(3)给出了放大器频率和电容的函数关系。当电纳达到最大时能保证功率放大器理论效率为1

式中：y为功率放大器导通角；Bmax为最大电纳；R为输出负载。从上式可以看出，放大器最大频率和线性并联电容的函数关系。图2为信号占空比为50％时，根据该函数关系的并联电容与放大器最大频率关系的曲线图。

作者：甘军宁 张万荣 谢红云 何莉剑 李佳 沈珮   来源：中电网