CN103312279B - 一种de类功率放大器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DE类功率放大器及其设计方法，属于功率放大器技术领域。包括第一MOS场效应管S1、第二MOS场效应管S2、第一电感L₁、第二电感L₂、隔直电容C_DC、并联补偿电容C、并联调谐电路和负载电路R_L；在驱动信号占空比为25%时，计算设计DE类功率放大器的最优负载电阻R_L、第一电感L₁、第二电感L₂、并联调谐电感Lp、并联调谐电容Cp、并联补偿电容C。本发明提高了低电压供电下的最优负载电阻，且开关导通前晶体管两端电压仅为电源电压的1/5，减小了晶体管寄生输出电容的损耗，提高了DE类功率放大器的工作效率。

Description

一种DE类功率放大器及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种DE类功率放大器及其设计方法，具体属于功率放大器及其设计方法技术领域。

背景技术

功率放大器作为音响系统、无线通信中的重要器件，其主要作用是放大信号，使得输出信号达到足够的功率，以满足扬声器和天线的要求，研究和开发高效低损耗的功率放大器一直是人们追求的目标。相对于传统的线性功率放大器，D类、E类、DE类等开关型功率放大器具有更高的效率。开关型功率放大器克服了传统线性功率放大器的缺点，使得功率晶体管工作在开关状态，在任意时刻功率晶体管的电压与电流的乘积很小，甚至为零，以此原理来降低功率晶体管的损耗，提高功率放大器的效率。

《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2009年第25卷第5-2期，文章编号：1008-0570(2009)05-2-0291-03公布了一种DE类高频调谐功率放大器，其中开关器件为两个功率场效应管S1、S2、Cs1、Cs2为开关器件两端的外接电容，包括了开关的输出电容和分布电容之和，L、Lf、Cf、R组成负载串联回路，其中R是电路的等效负载电阻，L为电路中剩余电感Lf、Cf理想串联谐振回路，谐振于信号的基波频率，其中将功率管器件S1、S2等效为理想开关，即饱和导通时，S1、S2电阻为零，截止时，S1、S2电阻为无穷大，综合了D类和E类功率放大器的优点。然而，随着供电电压的降低，该种DE类功率放大器要求输出较大的功率时所需要的负载电阻值很小，射频电路中的输出阻抗通常为50欧姆，这就需要一个大阻抗变换比的阻抗匹配网络将50欧姆匹配到功率放大器的负载电阻，而实际中的大阻抗变换比的匹配网络会消耗较多的功率，最终造成功率放大器效率的降低。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明提供一种高效率的DE类功率放大器及其设计方法。

本发明采用以下技术方案：包括第一MOS场效应管S₁、第二MOS场效应管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、隔直电容C_DC、补偿电容C、调谐电路和负载电阻R_L；

所述隔直电容C_DC一端分别接第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端，隔直电容C_DC的另一端分别接调谐电路的一端、补偿电容C的一端和负载电路R_L的一端；

所述第一MOS场效应管S1源极接地，栅极接第一驱动电压V_Dr1，漏极接第一电感L₁的另一端；

所述第二MOS场效应管S2源极接电源V_dd，栅极接第二驱动电压V_Dr2，漏极接第二电感L₂另一端；

所述调谐电路包括调谐电容Cp和调谐电感Lp，其中调谐电容Cp两端连接调谐电感Lp的两端。

一种DE类功率放大器的设计方法，包括如下步骤，

步骤1：确定DE类功率放大器的设计参数，包括电源电压V_dd，设计输出功率Po，负载品质因数Q和工作频率f；

步骤2：在驱动信号占空比为25％时，运用零电流转换和零电流导数转换条件，得到下述公式分别计算DE类功率放大器的负载电阻R_L、第一电感L₁、第二电感L₂、补偿电容C、调谐电容Cp和调谐电感Lp；

$R_L=\frac{0.166V_{dd}^2}{P_O}$

$L_1=L_2=\frac{0.0073V_{dd}^2}{{\mathrm{\ωP}}_O}$

$C=\frac{2.7P_O}{V_{dd}^2\mathrm{\ω}}$

C_P＝QG/ω

L_P＝1/(ω²C_P)

其中G是负载电阻RL的电导；

步骤3：设计阻抗匹配网络；

步骤4：利用计算结果设计DE类功率放大器。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：在驱动信号占空比为25％时，运用本发明提高了低电压供电下的负载电阻，且开关导通前MOS管两端电压仅为电源电压的约1/5，减小了MOS管寄生输出电容的损耗，提高了DE功率放大器的工作效率。

附图说明

图1是一种DE类功率放大器的基本电路图；

图2是一种DE类功率放大器的等效电路图；

图3是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的的输出波形图；

其中a是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的I_S1的输出波形图；

b是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的I_S2的输出波形图；

c是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的V_S1的输出波形图；

d是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的V_S2的输出波形图；

e是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的V_L1的输出波形图；

f是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的V_L2的输出波形图；

g是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的V_o的输出波形图；

h是驱动信号占空比为25％时，DE类功率放大器的I_o的输出波形图；

图4是一种DE类功率放大器应用图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

如图1所示，一种DE类功率放大器包括第一MOS场效应管S1、第二MOS场效应管S2、第一电感L₁、第二电感L₂、隔直电容C_DC、补偿电容C、调谐电路和负载电阻R_L；

所述隔直电容C_DC一端分别接第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端，隔直电容C_DC的另一端分别接调谐电路的一端、补偿电容C的一端和负载电路R_L的一端；

所述第一MOS场效应管S1源极接电源地，栅极接第一驱动电压V_Dr1，漏极接第一电感L₁的另一端；

所述第二MOS场效应管S2源极接电源V_dd，栅极接第二驱动电压V_Dr2，漏极接第二电感L₂另一端；

所述调谐电路包括调谐电容Cp和调谐电感Lp，其中调谐电容Cp两端连接调谐电感Lp的两端，谐振于工作频率。

如图2所示，一种DE类功率放大器的等效电路，第一MOS场效应管S1、第二MOS场效应管S2等效为两个电压控制开关。

DE类功率放大器的驱动信号占空比D可以为0～50％之间的任意值，其只取决于所需的死区时间。所谓死去时间，是指一个周期内两个开关都关断的时间。

如图3所示，驱动信号占空比D＝25％时，DE类功率放大器在一个周期内的工作过程为：

(1)在0＜θ≤0.5π，第一MOS场效应管S1闭合，第二MOS场效应管S2断开。第一MOS场效应管S1两端电压V_S1为0，流过第一MOS场效应管S1的电流I_S1有一个上升的过程，上升到峰值后出现一个下降的过程，最后到0，第一电感L₁两端的电压V_L1正比于电流I_S1的导数；第二MOS场效应管S2断开,流过第二MOS场效应管S2的电流I_S2为0，第二MOS场效应管S2两端电压V_S2有一个上升的过程，达到最大值后开始下降，第二电感L₂两端电压V_L2为0；

(2)在0.5π＜θ≤π，第一MOS场效应管S1和第二MOS场效应管S2都断开。第一MOS场效应管S1两端的电压V_S1出现一个上升的过程，第二MOS场效应管S2两端电压V_S2继续下降，第一电感L₁和第二电感L₂两端的电压都为0，流过第一电感L₁和第二电感L₂的电流也都为0；

(3)在π＜θ≤1.5π，第一MOS场效应管S1断开，第二MOS场效应管S2闭合。第二MOS场效应管S2两端电压V_S2为0，流过第二MOS场效应管S2的电流I_S2有一个上升的过程，上升到峰值后出现一个下降的过程，最后到0，到达0时电流I_S2的导数也为0，第二电感L₂两端的电压V_L2正比于电流I_S2的导数；第一MOS场效应管S1断开，流过第一MOS场效应管S1的电流I_S1为0，第一MOS场效应管S1两端电压V_S1有一个上升的过程，达到最大值后开始下降，第一电感L₁两端电压V_L1为0；

(4)在1.5π＜θ≤2π，第一MOS场效应管S1和第二MOS场效应管S2都断开。第一MOS场效应管S1两端的电压V_S1继续下降，第二MOS场效应管S2两端电压V_S2出现一个上升的过程，第一电感L₁和第二电感L₂两端的电压都为0，流过第一电感L₁和第二电感L₂的电流也都为0；

a是DE类功率放大器一个周期I_S1的输出波形图；

b是DE类功率放大器一个周期I_S2的输出波形图；

c是DE类功率放大器一个周期V_S1的输出波形图；

d是DE类功率放大器一个周期V_S2的输出波形图；

e是DE类功率放大器一个周期V_L1的输出波形图；

f是DE类功率放大器一个周期V_L2的输出波形图；

g是DE类功率放大器一个周期Vo的输出波形图；

h是DE类功率放大器一个周期Io的输出波形图。

图4是一种DE类功率放大器应用图。首先，确定DE类功率放大器的设计参数，包括电源电压V_dd，设计输出功率Po，负载品质因数Q和工作频率f；然后，运用零电流转换和零电流导数转换条件。

得到下述公式分别计算负载电阻R_L、第一电感L₁、第二电感L₂、补偿电容C、调谐电容Cp和调谐电感Lp；

$R_L=\frac{0.166V_{dd}^2}{P_O}$

$L_1=L_2=\frac{0.0073V_{dd}^2}{{\mathrm{\ωP}}_O}$

$C=\frac{2.7P_O}{V_{dd}^2\mathrm{\ω}}$

C_P＝QG/ω

L_P＝1/(ω²C_P)

其中G是负载电阻R_L的导数；

其次，设计输出阻抗匹配网络；最后，利用计算结果设计DE类功率放大器。

本发明在驱动信号占空比为25％时，提高了低电压供电下的负载电阻，且开关导通前MOS管两端电压仅为电源电压的1/5，减小了MOS管寄生输出电容的损耗，提高了DE类功率放大器的工作效率。

一种DE类功率放大器，包括第一MOS场效应管S₁、第二MOS场效应管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、隔直电容C_DC、补偿电容C、调谐电路和负载电阻R_L；

所述隔直电容C_DC一端分别接第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端，隔直电容C_DC的另一端分别接调谐电路的一端、补偿电容C的一端和负载电路R_L的一端；

所述第一MOS场效应管S1源极接地，栅极接第一驱动电压V_Dr1，漏极接第一电感L₁的另一端；

所述第二MOS场效应管S2源极接电源V_dd，栅极接第二驱动电压V_Dr2，漏极接第二电感L₂另一端；

所述调谐电路包括调谐电容Cp和调谐电感Lp，其中调谐电容Cp两端连接调谐电感Lp的两端。

一种DE类功率放大器的设计方法，包括如下步骤，

步骤1：确定DE类功率放大器的设计参数，包括电源电压V_dd，设计输出功率Po，负载品质因数Q和工作频率f；

步骤2：在驱动信号占空比为25％时，运用零电流转换和零电流导数转换条件，得到下述公式分别计算DE类功率放大器的负载电阻R_L、第一电感L₁、第二电感L₂、补偿电容C、调谐电容Cp和调谐电感Lp；

$R_L=\frac{0.166V_{dd}^2}{P_O}$

$L_1=L_2=\frac{0.0073V_{dd}^2}{{\mathrm{\ωP}}_O}$

$C=\frac{2.7P_O}{V_{dd}^2\mathrm{\ω}}$

C_P＝QG/ω

L_P＝1/(ω²C_P)

其中G是负载电阻RL的电导；

步骤3：设计阻抗匹配网络；

步骤4：利用计算结果设计DE类功率放大器。

Claims (2)

1.一种DE类功率放大器，其特征在于：包括第一MOS场效应管S₁、第二MOS场效应管S₂、第一电感L₁、第二电感L₂、隔直电容C_DC、补偿电容C、调谐电路和负载电阻R_L；

所述隔直电容C_DC一端分别接第一电感L₁的一端、第二电感L₂的一端，隔直电容C_DC的另一端分别接调谐电路的一端、补偿电容C的一端和负载电路R_L的一端；

所述第一MOS场效应管S1源极接地，栅极接第一驱动电压V_Dr1，漏极接第一电感L₁的另一端；

所述第二MOS场效应管S2源极接电源V_dd，栅极接第二驱动电压V_Dr2，漏极接第二电感L₂另一端；

所述调谐电路包括调谐电容Cp和调谐电感Lp，其中调谐电容Cp两端连接调谐电感Lp的两端。

2.如权利要求1所述的一种DE类功率放大器的设计方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：确定DE类功率放大器的设计参数，包括电源电压V_dd，设计输出功率Po，负载品质因数Q和工作频率f；

步骤2：在驱动信号占空比为25%时，运用零电流转换和零电流导数转换条件，得到下述公式分别计算DE类功率放大器的负载电阻R_L、第一电感L₁、第二电感L₂、补偿电容C、调谐电容Cp和调谐电感Lp；

其中G是负载电阻RL的电导；

步骤3：设计阻抗匹配网络；

步骤4：利用计算结果设计DE类功率放大器。