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。
2.3 并联电容计算方法
为了方便对非线性电容进行分析和计算,2000年A.Mediano等人提出了线性等效电容和形状因子的概念,分别用CEQ和α表示。
线性等效电容是一个恒定不变的电容(因此可认为是线性的),能够代替非线性晶体管输出寄生电容Cout(v),同时在晶体管开关闭合期间的最后时刻又能产生和使用非线性电容时相同的归一化工作状态(即在晶体管开关开启瞬间集电极为零电压),并且保持放大器其他元件的值。用这个等效电容取代非线性晶体管寄生输出电容后,可以采用传统设计方法设计E类功率放大器,并且能达到同样的目的。