确认E类功率放大器的射频扼流要求
在这篇文章中，咱们研讨了射频扼流圈非抱负性对E类放大器功能的影响，并学习了怎么为放大器规划挑选适宜的扼流电感。
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图1显现了E类放大器的根本拓扑结构。
根本E类放大器示意图。
图1 一种根本的E类放大器。圈供给I0的直流电流。
从本系列的前几篇文章中，咱们知道上述电路中的RF扼流圈（L1）坚持了I0的简直稳定电流。可是，这些文章都假定了一个抱负的射频扼流圈，在作业频率下没有直流电阻和无限射频电抗。有用的扼流电感器具有非零直流电阻和有限射频电抗。
在本文中，咱们将剖析这些缺点对E类功率放大器功能的影响。然后，咱们将经过两个规划示例将咱们的常识付诸实践——一个与电阻有关，一个与电感有关。终究，咱们将经过在LTspice中模仿咱们的示例电路来测验咱们剖析的精确性。
电抗与直流电阻的权衡。
射频扼流圈有必要具有无限电抗，以彻底消除沟通电流重量，只允许直流电流。这在实践中显然是不或许的。相反，咱们企图经过添加扼流圈电感来保证流过扼流圈的沟通电流远低于直流电流。
这样做时，咱们面临着两个要素之间的重要权衡：
因为扼流圈的直流电阻导致的功率丢失。
扼流圈阻断沟通元件的才能。
虽然更大的电感更有效地阻挠沟通电流，但它也引进了更大的直流电阻。正如咱们将在下一节中评论的那样，这添加了扼流圈的功耗。
大电感也会添加规划的尺度、重量和本钱。此外，它或许会给电路引进更高的寄生电容。因而，咱们的方针是运用尽或许小的电感，该电感依然满意大以充沛按捺沟通重量。
稍后咱们将回到电感的论题。现在，让咱们从确认扼流圈直流电阻引起的功率损耗开端。
了解非零阻流电阻的影响。
关于最佳操作的E类放大器，流过RF扼流圈（I0）的DC电流与负载电流（IR）的起伏之间的联系如下：
方程式1。I0流过扼流圈的直流电阻会导致功率损耗，由下式给出：
方程式2。其间RRFC是RF扼流圈的DC电阻。
经过结合方程式1和2，咱们得到以下功率损耗公式：
方程式3。一起，运送到负载的平均功率为：
方程式4。其间RL是放大器的负载电阻。
结合方程式3和4，咱们可以得出PLoss与PL的比率：
方程式5。咱们现在可以运用这个方程来确认RRFC不等于零时E类放大器的功率。
扼流圈的直流电阻怎么影响功率？
为了简略起见，让咱们假定如下：
扼流圈的直流电阻（RRFC）虽然不等于零，但满意小，不会影响I0或IR。
扼流圈的直流电阻是影响放大器的仅有损耗机制。
与咱们之前研讨的开关损耗相同，非零RRFC添加了从电源中提取的功率（Pcc），但不会明显影响向负载运送的功率（PL）。Pcc等于运送到负载的功率（PL）和扼流圈中耗散的功率（PLoss）之和：
方程式6。放大器的功率为：
方程式7。或许，假如咱们考虑方程式5：
方程式8。让咱们把这个方程式运用于一个示例问题。
示例1：当阻风门具有非零电阻时确认功率。
假定最佳操作的E类放大器运用400μH射频扼流圈，直流电阻RRFC=0.3Ω。假如负载电阻RL=50Ω，放大器的功率是多少？假定非零扼流电阻是影响电路的仅有损耗机制。
运用方程式8，咱们得到：
方程式9。该放大器的功率为99.7%。这低于E类放大器100%的理论功率，但起伏不大。可是，咱们添加的直流电阻越多，放大器的功率就越低。为了防止不用要地添加RRFC，咱们期望运用所需的最小电感。
确认所需电感。
在本节中，咱们将核算经过射频扼流圈的电流的峰间纹波，并运用它来确认E级规划所需的最小扼流电感。咱们将首要调查扼流圈电流在一个射频周期内的改变。
图2显现了三条不同的曲线。从上到下，这些是：
经过E类放大器开关的电流。
E类放大器开关两头的电压。
经过具有有限电抗的射频扼流圈的电流的近似值。
请留意，实践的扼流圈电流波形与下图所示略有不同。虽然如此，这种近似波形使咱们可以推导出一个简略但适当精确的RF扼流圈电流纹波方程。
E类放大器的开关电流、开关电压和扼流圈电流波形。
图2 经过开关的电流（顶部）、开关两头的电压（中心）和经过射频扼流圈的电流（底部）。当开关翻开时，图1中E类电路的集电极接地（Vsw=0），射频扼流圈坚持相对稳定的Vcc电压。经过电感器的电流与其两头电压的时刻积分成正比。因而，向电感器施加稳定电压会导致其电流线性添加。
在开关处于ON状况时，咱们可以将经过射频扼流圈的电流标明为：
方程式10。其间i0是积分常数，而且考虑了在开关接通时刻经过电感器的初始电流。
当占空比为50%时，电流i1的峰值出现在t=t/2:。
方程式11。因而，峰间电流纹波为：
方程式12。为了咱们的剖析，让咱们假定方针是将ΔI坚持在扼流圈直流电流的十分之一以下。对方程式12施行这一约束得出：
方程式13。为了简化这个方程，咱们需要用Vcc标明I0：
方程式14。该方程也可以在“解开E类功率放大器的规划方程”中找到。
结合方程式13和14，咱们得到：
方程式15。上述方程使咱们可以确认将峰间电流改变坚持在经过扼流圈的直流电流的10%以下的最小电感。
示例2：找到最小扼流电感。
在上一篇文章中，咱们规划了图3所示的E类放大器。它在1 MHz下为50Ω负载供给1.66 W的功率。让咱们确认将放大器扼流电流的峰间改变坚持在其直流值的10%以下所需的最小扼流电感。
咱们在上一篇文章中规划的E类放大器的示意图。留意组件值。
图3 咱们在上一篇文章中规划的E类放大器的示意图。留意，该图中的重量值是针对零饱满电压（Vsat=0）和10的负载Q因子取得的。
运用方程式15，咱们得到：
方程式16。依据这一剖析，射频扼流圈的电感有必要至少为433μH，才能使放大器到达最佳功能。
用LTspice查看E类放大器的作业状况。
为了评价上述剖析的精确性，让咱们测验在LTspice中模仿咱们的示例电路。咱们将运用图4中的LTspice示意图。
图3中模仿E级阶段的LTspice示意图。
图4 图3中模仿E级阶段的LTspice示意图。在上图中，运用抱负开关替代晶体管。.model句子指定了由电压源V2操控的开关的以下内容：
导通电阻为0.1Ω。
断开电阻为100 MΩ。
阈值电压为0.5V。
图5显现了该电路的模仿开关电压（Vsw）和扼流圈电流（IL1）。它还显现了直流电源电压（Vcc）。
示例电路的模仿开关电压、电源电压和扼流圈电流波形。
图5 LTspice电路的开关两头电压（蓝色）、电源电压（赤色）和经过RF扼流圈的电流（绿松石色）。开关两头的电压由上图中的蓝色曲线标明。这简直正是咱们从最佳操作的E级所期望的开关电压波形，但有一个差异：它不彻底满意零电压开关条件。
当开关接通时，例如在t=38μs之前，模仿的电压波形不是0V，而是稍微为负。这是一个相对较小的差异，虽然您或许仍会考虑微调电路组件以完成最佳功能。
图5中的绿松石曲线显现了经过射频扼流圈的电流。它与图2所示的扼流圈电流波形略有不同。在那里，电流在开关的ON状况下上升，在OFF状况下放电——咱们在为扼流圈的最小电感推导的方程中引进了这一假定。
在模仿波形中，开关的ON状况对应于t=38μs和t=38.5μs之间的时刻距离。可是，模仿标明，电流在大约t=37.87μs时开端上升，这是开关翻开之前的一段时刻。即便在开关封闭后，电流也会持续上升，直到大约t=38.53μs。
简而言之，与咱们的假定相反，电流在一个半周期内上升，在另一个半周内放电，模仿标明，电流上升也发生在封闭半周期的某些部分。可是为什么呢？
要回答这个问题，请留意，从t=37.87μs到t=38.53μs，Vsw低于Vcc。这导致扼流圈两头发生正电压。经过电感器的电流与其两头电压的时刻积分成正比，因而经过扼流圈的电流在这个时刻距离内添加是有道理的。
终究结果是，咱们在剖析中发现的峰间电流纹波略小于实践值。在模仿波形中，电流从140.33 mA改变到157.39 mA，平均值I0=148.51 mA。因而，峰间值为I0的11.5%，而不是咱们预期的10%。虽然如此，方程式15依然是确认所需扼流电感的合理精确的办法。
总结。
E类功率放大器以其高功率而出名。可是，实践的E类放大器规划有必要考虑元件的非抱负性。正如咱们在本文中看到的，放大器射频扼流圈的直流电阻会导致扼流圈自身的功耗，然后下降放大器的功率。
此外，实践射频扼流圈的有限电抗会导致电流纹波，假如不添加扼流圈电阻，咱们就无法处理这个问题。因而，咱们期望运用尽或许小的电感，一起将沟通重量按捺到必要的程度。
在本系列的下一篇文章中，咱们将学习调整放大器怎么协助咱们完成最佳功能，虽然存在这些和其他非抱负状况。在咱们持续评论F类操作之前，这将是关于E类功率放大器的终究一篇文章。
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