感性加载A类功率放大器简介

这个系列的前一篇文章讨论了将电阻负载的共发射极电路用作功率放大器（PA）时面临的挑战和限制。在最后一节中，我们了解到通过使用大电感作为共发射极配置的负载，许多这些挑战可以得到解决。在本文中，我们将更全面地研究感性加载的A类放大器。让我们从图1中的基本感性加载的共发射极配置开始我们的研究。

图 1.感性共发射极放大器的简单版本

你可能已经注意到，图1看起来与我们上次介绍的功率放大器有些不同。与本文稍后将回顾的那个放大器版本不同，这个电路缺少匹配网络。在其他方面，这个电路非常相似：

电感（L1）足够大，以在操作频率上充当交流开路。我们将这样的电感称为“射频扼流圈”（RFC）。直流阻挡电容（C1）足够大，在一定频率上可视为短路。

电压摆幅和电源电压

上述电路的一个有趣特性是节点A（VA，或集电极电压）的电压可以超过供电电压（VCC）。这是一个有用的特性：通过更大的电压摆幅，功率放大器可以更容易地提供其功能所需的高功率水平。换句话说，对于给定的电压摆幅，感性负载电路可以实现更低的供电电压。

但是，感性加载的级别如何提供比其供电电压更大的电压摆幅呢？一个可能的解释是，节点A处的直流电压等于VCC，因为电感在直流时是短路。RFC仅携带直流电流，其值由连接到晶体管基极的偏置电路确定（图中未显示）。由于电感不能通过交流电流，晶体管的交流电流仅通过RL。

图2显示了两个交流等效电路模型：一个是晶体管吸收ic交流电流的模型，另一个是晶体管源泉相同交流电流的模型。

图2.电感负载共发射极放大器的两个等效电路模型。

在图2(a)中，节点B的交流电压为–RLic。由于C1作为短路，节点A的交流电压也是–RLic。当考虑直流和交流分量时，我们观察到节点A的整体电压从VCC降至一个较小的值VCC – RLic。

在图2(b)中，晶体管交流电流为ic，并且节点A出现了正交流电压。在这种情况下，节点A的整体电压从VCC升至一个较大的值VCC + RLic。由此可见，集电极电压可以超过VCC。

达到相同结果的另一种方法是考虑电容器C1上的直流电压。在没有交流信号的情况下，图3中的节点A和节点B分别处于VCC和0V。因此，电容器上的直流电压是VCC，极性如图3所示。

图3.通用感性负载共发射极放大器。注意 C1 两侧的极性。

当晶体管提供ic的交流电流时，节点B出现了正RLic的交流电压。考虑电容器的直流电压，我们观察到节点A的整体电压为VCC + RLic。类似地，当晶体管吸收ic的交流电流时，节点A的整体电压下降到VCC – RLic。

求最大电压摆幅

假设晶体管具有ICQ的偏置电流，这也是电感提供的直流电流。晶体管可以提供给负载的最大交流电流是在整体集电极电流几乎为零（晶体管几乎截止）时发生的。这需要提供ic,max = ICQ的交流电流，如图4(a)所示。

使用ic,max = ICQ，我们发现节点A的最大电压为VCC + RLICQ。为了实现对称摆动，晶体管还应该吸收ic,max = ICQ。这导致在节点A的最小电压为VCC – RLICQ，正如我们在图4(b)中看到的那样。

图4.找到最大电压 （a） 和最小电压 （b）。

另一方面，假设晶体管的饱和电压为零（VCE(sat) = 0），则最小的集电极电压为0V。因此，我们得到：

(1)

根据上述方程选择偏置电流可以确保在输出端实现最大对称摆动。图4还显示了晶体管在两个极端情况下承载的电流范围。正如我们所看到的，晶体管电流可以从0变化到2ICQ。

总结一下，集电极电压从0变化到2VCC，集电极电流从0变化到2ICQ。这个分析有助于我们基于晶体管的最大电压和电流限制来选择合适的晶体管。

计算最大功率效率

传递到负载的最大功率可以计算为：

(2)

在前一篇文章中讨论的电阻加载的共发射极级将相当数量的不希望的直流功率传递到负载。相比之下，由于使用了直流阻挡电容，感性加载电路只向负载传递交流功率。这在效率方面有了显著的改善，我们马上就会看到。

供电电压传递的平均交流功率为：

(3)

我们现在可以使用方程2和方程3来计算放大器的最大效率：

(4)

该放大器具有50%的最大效率，这意味着为了向负载传递1瓦，供电必须提供2瓦。剩余的1瓦在晶体管中损失。这相对于电阻加载级而言是一个显著的改进，后者的最大效率仅为25%。

然而，在实际应用中，感性加载的功率放大器的实际效率可能远低于50%。图5说明了随着信号幅度变化，效率如何变化——正如我们所看到的，只有当信号摆幅达到最大值时，效率才为50%。

图5还显示了与该电路相关的三个功率项随集电极交流电流幅度的变化。这三个项分别是：

Pcc：供电功率。PL：负载功率。PTran：晶体管功率。

图5.电源功率（蓝色）、负载功率（红色）、晶体管功率（绿色）和电源效率（青色）与集电极电流的关系图。

如预期的那样，供电提供的功率（Pcc）是恒定的。这个功率被耗散在负载（PL）或晶体管（PTran）中。当负载功率增加时，相应地在晶体管中耗散的功率减少。在没有AC信号的情况下，零功率传递到负载，因此晶体管耗散供电提供的所有功率。

随着信号幅度的增加，晶体管中耗散的功率越来越接近其最小值。从中我们可以看到，在没有应用AC信号时，A类放大器中使用的晶体管承受最大的压力。考虑到这一点，让我们继续探讨感性加载共发射极级的另一种版本。

对匹配网络的需求

我们对感性加载的A类功率放大器的讨论实际上始于前一篇文章。让我们回顾一下那篇文章结尾部分的一些相关要点：

实现最大输出功率需要负载阻抗RL与晶体管的偏置点之间的特定关系。这个关系在本文的方程1中描述，也在上一篇文章的方程3和方程4中描述。

如果给定的负载阻抗不能满足上述条件，我们可以使用匹配网络将实际负载（RL）变换为最佳负载（Req），如图6所示。

匹配网络几乎总是使用储能元件来实现。因此，传递到匹配网络输入的功率在RL中被耗散。

图6.感性加载共发射极放大器，包括一个匹配网络。

实现匹配网络的一种常见方式是使用变压器，如图7所示。

图7.一种感性加载共发射极放大器，使用变压器作为匹配网络。

在上图中，我们有：

（5）

这里的N1和N2分别是变压器两侧的匝数，表示每一侧的绕组数。通过使用适当的变比，我们可以使负载阻抗RL在集电极处显得更大或更小，视情况而定。