【技术专辑】设计自偏置C类放大器

本文是AAC模拟电路系列的一部分,探讨了一种可用于射频功率放大器的自偏置C类级。

 

您可能熟悉“普通”(即低功耗)放大器电路和功率放大器之间的区别。低功耗类别包括模拟和混合信号嵌入式系统中常见的大多数运算放大器和仪表放大器电路; 目标通常是施加显着的电压增益,或者可能(在电压跟随器的情况下)以减小源阻抗。另一方面,功率放大器专注于增加信号的电流容量,以便为负载提供更多功率。许多低压设计不需要功率放大器(PA),但PA是RF系统中的标准组件:成功的RF传输需要足够的功率,而PA则向天线提供高功率信号。

 

功率放大器拓扑被分为称为“类”的类别。在本文中,我们将看一个C类电路。在音频和一般低频功率放大的背景下,C类放大器有点异国情调。然而,它们在RF电路中很常见,特别是当电池寿命是主要问题时。重要的是要了解功率放大器在线性度和效率之间进行基本权衡。A类放大器是高度线性的,但它们偏向于增加电流消耗。B类放大器效率更高但线性度更低。C类放大器的线性度甚至低于B类,但它们提供高效率。因此,如果您希望手机电池能够尽可能长时间使用,并且您可以以某种方式处理产生大量失真的放大器,那么C类可能是最佳选择。

 

您可以在AAC的“ C类BJT放大器 ”工作表中找到有关C类放大器的更多信息。在本文中,我们将详细介绍与工作表中使用的电路完全不同的特定C类实现。该实现基于Christopher Bowick 在书籍RF Circuit Design中给出的电路。完全披露:这个电路并不简单,本书没有提供详尽的解释。当你阅读这篇文章时,你会发现我对理论和设计过程的掌握远未完成; 如果您有一些相关的专业知识并想参与讨论,那么评论部分(只需向下滚动到页面底部)就可以准备好等待。

 

这是我们将要探索的拓扑:

 

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自偏置

 

围绕一个或两个晶体管构建的放大器需要被偏置 - 即,需要布置DC条件使得晶体管以有助于放大的方式操作。运算放大器也需要偏置,但我们没有注意到它,因为所有偏置工作都由运算放大器设计师完成。

 

C类放大器的一个有趣特性是它们不需要外部偏置电路。晶体管仍处于偏置状态,但它本身就是偏置的。这里的细节有点复杂,我不认为理解它们; 相反,我会引用Bowick并希望他说得对:如果你想要一个晶体管成为C类放大器,你需要反向偏置基极 - 发射极结; “如果晶体管的基极通过RF扼流圈返回到地,流过内部基极扩展电阻的基极电流可以反向偏置结,从而”迫使晶体管提供自己的偏置。“我要补充的一点是:与基极串联的电容(如上图所示)似乎只是一个标准的隔直电容,但我相信它也在维持反向偏置方面发挥作用。换句话说,即使您知道输入信号永远不会有DC偏移,您也需要DC阻塞电容。

 

不到半个正弦波

 

您可能已经注意到C类电路有些奇怪:它无法产生正弦输出。实际上,它甚至不能产生一半的正弦曲线。这里的技术术语是“导通角”.A类电路可以产生整个正弦波的放大版本,因此我们说它具有360°的导通角。B类电路仅导通一半的周期,因此其导通角为180°。C级的导通角明显小于180°。

 

如果在BJT的集电极和正电源之间设置一个C类放大器,只有一个电阻,则会得到如下所示的输出波形:

 

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没人会想把这个信号发送到天线。但是,如果你在时域而非频域正常正弦波想这可能是令人惊讶的地方,可怕的失真波形内。我们来看看FFT:

 

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100 MHz的峰值对应于我们想要的正弦波,这意味着我们需要进行一些严格的滤波来抑制谐波含量。我们通过在集电极和正电源之间加入LC电路来实现这一目标。如果我们根据系统的载波频率选择共振频率,您会惊讶于我们可以从C类放大器产生的正弦波质量。

 

设计与仿真

 

标准C类拓扑结构包括一个并联 LC电路,用于滤除晶体管的集电极电流。我无法弄清楚为什么Bowick版本偏离了这个模型。他似乎正在使用由C3组成的Pi滤波器(在本书中标记为“旁路”,可能是因为它用作电源旁路电容),输出变压器的初级绕组和C2。我使用本应用笔记中的公式来计算L2和C2的值。

 

这是模拟电路:

 

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请注意以下事项:

 

•我使用LTspice铁氧体磁珠组件作为RF扼流圈。

 

•输出变压器是通过添加两个电感和一个“互感”语句创建的。

 

•我使用C2的固定值,因为我在理想化的SPICE世界中工作。然而,在原始电路中,C2是可变电容器,可能是因为需要调整实际实现以补偿元件容差和寄生电容。

 

这是输出信号:

 

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考虑到未经过滤的信号是什么样的,我会称之为非常好。

 

我想知道我是否找到了C2的最佳值,所以我使用了“.step param”语句来测试几种不同的电容。结果如下图所示; 你可以知道哪条线是哪个电容值,因为较大的幅度对应较小的电容(即橙色为10 pF,蓝色为50 pF,...,粉红色为300 pF)。

 

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50 pF(蓝色)和92 pF(红色)迹线都看起来很好,下一个图(显示同一组波形的FFT)证实这两个值相对于振幅的幅度表现出良好的二次谐波抑制。根本。也许理想值可能在50 pF到92 pF之间。

 

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结论

 

我们讨论并研究了用于RF电路的自偏置C类放大器,我们研究了一些有趣的仿真结果。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计
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