CN112910425A - 基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及放大器技术，具体涉及基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，包括多抽头变压器和负载，多抽头变压器为关于中心抽头对称分布的多抽头变压器；还包括低压直流电压源、多个二极管、多个驱动信号源、多个驱动控制单元和多个射极跟随器电路；多抽头变压器二次侧连接负载。电压源提供能量输入，信号源通过射极跟随器电路控制放大器输出的波形，多抽头变压器的一次侧整合跟随器电路分段输出的波形从而在二次侧产生最终输出。多抽头变压器一方面通过变比配合实现升压输出，另一方面起到了输入输出隔离的作用；多个射极跟随器电路的调整管逐一线性导通，在最大程度上降低了管压降，使得放大器工作在高效率的状态。

Description

基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器

技术领域

本发明属于放大器技术领域，特别涉及基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器。

背景技术

线性功率放大器直接对微弱功率的信号进行功率放大，输出波形具有很高的保真度、多类负载适应性以及抗突变负载扰动能力。射极跟随器型放大电路的电压增益近似为1，电流增益很大，可获得较大的功率增益，其输出电阻小，带负载能力强。在一些对波形质量、输出稳定性要求较高的应用领域，大容量线性功率放大技术占据着重要的地位，但其工作效率低的缺点依旧难以避免。

在现有技术中，线性功率放大器一般是AB类放大电路，三极管作为调整管，受电路结构和器件参数所限，输出电压及输出电流较小，无法达到高电压、大电流输出的目的。为追求大功率输出，常常采取三极管串并联电路构成，但这样会造成电路结构复杂，装置体积较大。为追求高效率的功率放大，发展出了基于开关变换的D类、E类功率放大器，开关变换器电路结构简单，效率高。这完全摒弃了线性功率放大的基本原理，而是基于PWM原理的开关类型的功率变换。线性功率放大器有A类、B类、AB类、C类几种，其中兼顾效率和波形质量的是AB类，效率最高可达78.5％。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种高效率大功率输出的线性放大器电路拓扑。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，包括多抽头变压器和负载，多抽头变压器为关于中心抽头对称分布的多抽头变压器；还包括低压直流电压源、多个二极管、多个驱动信号源、多个驱动控制单元和多个射极跟随器电路；低压直流电压源的正极通过各二极管分别与中心抽头以上及以下的各射极跟随器电路调整管的集电极相连，中心抽头与低压直流电压源的负极相连，所有射极跟随器电路调整管的发射极分别连接至多抽头变压器除中心抽头以外的抽头，多个驱动信号源通过多个驱动控制单元后分别连接至射极跟随器电路调整管的栅极，多抽头变压器的中心抽头连接在一起；多抽头变压器二次侧连接负载。

在上述基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器中，多抽头变压器的上下各个抽头电压关于中心抽头对称，多个驱动信号源的大小关于中心抽头对称，且相位相反，多个驱动信号源与多抽头变压器各抽头电压变比对应的乘积相同，皆为变压器二次侧输出。

在上述基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器中，当负载非纯阻性时，功率放大器还包括两种能量回馈电路；第一种能量回馈电路是增加多个由N型调整管组成的跟随器结构的支路，分为上下两组，上组N型调整管的集电极分别通过二极管接至变压器最上面的抽头，发射极分别连接第一组电阻和地，下组N型调整管的发射极分别通过二极管接至变压器最下面的抽头，发射极分别连接第二组电阻和地，能量回馈到电阻上；第二种能量回馈电路是在各个射极跟随器电路中加入P型调整管构成的放大电路支路，其支路包括P型调整管的发射极与N型调整管的发射极连接，P型调整管的集电极与N型调整管的集电极通过两只反向的二极管接在一起，能量回馈到低压直流电压源。

本发明的有益效果：本发明提出的线性功率放大器由低压直流电压源供电，产生高电压波形输出；多抽头变压器一方面通过变比配合实现升压输出，另一方面起到了输入输出隔离的作用；分段线性的工作方式是放大器的多个调整管逐一线性导通，导通管压降被控制在一定的范围内，可最大程度上降低管压降，从而放大器工作在高效率状态。

附图说明

图1是本发明实施例一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器拓扑；

图2是本发明一个实施例分段线性功率放大器随着变压器抽头数目变化的的效率分布图；

图3是本发明实施例1抽头数为7的能量回馈到电阻的分段线性功率放大器电路；

图4是本发明实施例1抽头数为7的能量回馈到电压源的分段线性功率放大器电路的驱动信号源波形；

图5是本发明一个实施例抽头数为7的能量回馈到电压源的分段线性功率放大器电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例提供一种在保证波形质量的前提下，提高线性放大器的效率的线性放大器电路拓扑，从而扩大线性功率放大器的应用范围。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，包括：一个低压直流电压源，多个幅值不同、相位相反的对称驱动信号源，驱动控制单元、多个射极跟随器电路等效并联输入的结构，原边电压等级关于中心抽头对称分布的多抽头变压器；电压源提供能量输入，信号源通过多个射极跟随器电路控制放大器输出的波形，多抽头变压器的一次侧整合跟随器电路分段输出的波形从而在二次侧产生最终输出。

并且，低压直流电压源的正极通过二极管分别与中心抽头以上的射极跟随器电路调整管的集电极相连，中心抽头以下的射极跟随器电路调整管的集电极同样分别通过二极管与电压源的正极相连，中心抽头与电压源的负极相连，所有调整管的发射极分别连接至多抽头变压器除中心抽头以外的抽头，多个驱动信号源通过驱动控制单元后分别连接至跟随器电路调整管的栅极相连。

并且，驱动控制单元是电位比较电路，当信号源瞬时值大于预设的电位时，电压信号便可顺利流通；驱动控制单元可改变各个信号源加到对应调整管栅极的时间点，从而控制各个调整管线性导通的时间；多个跟随器电路的调整管逐一线性导通，可最大程度上降低管压降，从而放大器工作在高效率状态。

并且，多抽头变压器的上下各个抽头电压围绕中心抽头对称，多个驱动信号源的大小关于中心抽头对称，相位相反，驱动信号源与变压器各抽头电压变比对应的乘积相同，皆为变压器二次侧输出；与变压器上半部分抽头分别连接的射极跟随器工作在输出波形的正半周，与变压器下半部分抽头分别连接的射极跟随器工作在输出波形的下半周。

并且，通过改变多抽头变压器各个抽头变比的分布调整各个射极跟随器电路的工作时间段，可使得整个功率放大器电路工作在效率最大化的工作状态或热损耗平均分布在各个射极跟随器电路的调整管之间

并且，当负载非纯阻性时，能量回馈电路有两种选择。一种是在各个射极跟随器电路中补充P型调整管所构成的放大电路支路，P型调整管的发射极与N型调整管的发射极接在一起，P型调整管的集电极与N型调整管的集电极通过两只反向的二极管接在一起，能量回馈到电压源；一种是增加多个由N型调整管组成的跟随器结构的支路，分为上下两组，上组调整管的集电极分别通过二极管接至变压器最上面的抽头，发射极分别连接一组电阻和地，下组调整管的发射极分别通过二极管接至变压器最下面的抽头，发射极分别连接另一组电阻和地，能量回馈到电阻上。

具体实施时，如图1所示，一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，包括低压直流供电电压源E，多个驱动信号源v_s1、v_s2、…、v_si、…、v_s(n-1)、v_sn和-v_s1、-v_s2、…、-v_si、…、-v_s(n-1)、-v_sn，导通控制单元C₁、C₂、…、C_i、…、C_(n-1)、C_n，多个二极管D₁、D₂、…、D_i、…、D_(n-1)、D_n，多个跟随器等效并联结构LPA₁、LPA₂、…、LPA_i、…、LPA_(n-1)、LPA_n，多抽头变压器的变比分布k₁、k₂、…、k_i、…、k_(n-1)、k_n，其中n为任意正整数，i为任意n值，理论上n值越大，功率放大器的工作效率越高。电路的连接方式有着高度的对称性与模块性，现以第i个模块为例详细描述电路的连接方式。

电压源E的正极连接至二极管D_i的阳极，二极管D_i的阴极接至跟随器LPA_i的集电极输入端，跟随器LPA_i的发射极输出端接至变压器的i抽头。驱动信号源v_si连接至导通控制单元Ci，导通控制单元的输出端接至跟随器LPA_i的栅极信号输入端，信号源的地电位与电压源E的负极、多抽头变压器中心抽头接在一起，负载接在多抽头变压器的二次侧。多抽头变压器中心抽头以下部分的电路连接方式与多抽头变压器中心抽头以上部分完全对称。

在变压器二次侧输出电流的正半周，多个驱动信号源v_s1、v_s2、…、v_si、…、v_s(n-1)、v_sn通过导通控制单元C₁、C₂、…、C_i、…、C_(n-1)、C_n的电位比较之后，逐一加到中心抽头以上的多个射极跟随器电路LPA₁、LPA₂、…、LPA_i、…、LPA_(n-1)、LPA_n的栅极信号输入端，射极跟随器从LPA₁开始逐一线性导通工作，直至LPA_n。任意时刻只有一个LPA_i处于工作状态，此时调整管的导通管压降始终处于较低值，放大器便可以工作在高效率状态。一旦发射极电压高于集电极电压，调整管便处于截止状态，继而换流到下一个射极跟随器LPA结构。在变压器二次侧输出电流的负半周，多个方向相反的驱动信号源-v_s1、-v_s2、…、-v_si、…、-v_s(n-1)、-v_sn作用于变压器中心抽下以下部分的射极跟随器电路，中心抽头以下部分的跟随器从LPA₁开始逐一线性导通工作，直至LPA_n。由于两次流经变压器的电流大小一致，方向相反，整个过程变压器幅秒平衡，系统等比例稳定输出完整的控制信号波形v_o。

v_o＝v_s1·k₁＝v_s2·k₂＝…v_si·k_i…＝v_sn·k_n (1)

一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器的工作效率仅仅与多抽头变压器变比的分布有关。变压器抽头的数目越多，放大器的工作效率越高。当变压器上半部分抽头的数目达到12时，通过合理的变比设计，放大器的工作效率便可以达到96％以上，具体每一种情况的工作效率分布图如图2所示，该放大器的工作效率较传统线性功率放大器提升明显。

当负载为非纯阻性时，一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器的工作方式在纯阻性的工作特性之余，还有能量回馈环节，即输出电压与输出电流方向相反时的电流通路。能量回馈电路有两种选择，一种是增加多个由N型调整管组成的跟随器结构的支路，分为上下两组，上组调整管的集电极分别通过二极管接至变压器最上面的抽头1，发射极分别连接第一组电阻和地，下组调整管的发射极分别通过二极管接至变压器最下面的抽头1'，发射极分别连接第二组电阻和地，能量回馈到电阻上。另一种是在各个跟随器LPA_i电路中补充P型调整管所构成的放大电路支路，P型调整管的发射极与N型调整管的发射极接在一起，P型调整管的集电极与N型调整管的集电极通过两只反向的二极管接在一起，能量回馈到直流电压源E。

实施例1：采取能量回馈到电阻的方式，电流回馈的支路为由N型调整管构成的跟随器回路，输入为与地电位连接的第一、第二、第三、第四电阻R1、R2、R3、R4。抽头数为7的一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器电路图如图3所示。直流电压源E＝50V，目标输出v_o＝300sinωt，多抽头变压器的变比分别为k₁＝6.00，k₂＝5.00，k₃＝3.46，多级驱动信号源分别为v_s1＝±50.0sinωt，v_s1＝±60.0sinωt，v_s1＝±86.7sinωt，实际波形如图4所示。在输出电压为正，输出电流为正时，第二、第四、第六调整管Q2、Q4、Q6逐一线性导通；在输出电压为负，输出电流为负时，第十二、第九、第七调整管Q12、Q9、Q7逐一线性导通；在输出电压为负，输出电流为正时，第一、第三、第五调整管Q1、Q3、Q5逐一线性导通；在输出电压为正，输出电流为负时，第八、第十、第十一调整管Q8、Q10、Q11逐一线性导通。该实施例的工作效率最高可达89.4％。

实施例2：采取能量回馈到电源的方式，电流回馈的支路为由P型调整管构成的跟随器回路，输入为同样为低压直流电压源。抽头数为7的一种基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器电路图如图5所示。直流电压源E＝50V，目标输出v_o＝300sinωt，多抽头变压器的变比分别为k₁＝6.00，k₂＝5.00，k₃＝3.46，多级驱动信号源分别为v_s1＝±50.0sinωt，v_s1＝±60.0sinωt，v_s1＝±86.7sinωt，实际波形如图4所示。在输出电压为正，输出电流为正时，调整管Q3、Q2、Q1逐一线性导通；在输出电压为负，输出电流为负时，调整管Q6、Q5、Q4逐一线性导通；在输出电压为负，输出电流为正时，调整管Q9、Q8、Q7逐一线性导通；在输出电压为正，输出电流为负时，调整管Q12、Q11、Q10逐一线性导通。该实施例的工作效率最高可达89.4％。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，包括多抽头变压器和负载，多抽头变压器为关于中心抽头对称分布的多抽头变压器；其特征是，还包括低压直流电压源、多个二极管、多个驱动信号源、多个驱动控制单元和多个射极跟随器电路；低压直流电压源的正极通过各二极管分别与中心抽头以上及以下的各射极跟随器电路调整管的集电极相连，中心抽头与低压直流电压源的负极相连，所有射极跟随器电路调整管的发射极分别连接至多抽头变压器除中心抽头以外的抽头，多个驱动信号源通过多个驱动控制单元后分别连接至射极跟随器电路调整管的栅极，多抽头变压器的中心抽头连接在一起；多抽头变压器二次侧连接负载。

2.如权利要求1所述基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，其特征是，多抽头变压器的上下各个抽头电压关于中心抽头对称，多个驱动信号源的大小关于中心抽头对称，且相位相反，多个驱动信号源与多抽头变压器各抽头电压变比对应的乘积相同，皆为变压器二次侧输出。

3.如权利要求1所述基于多抽头变压器的高效率大容量分段线性功率放大器，其特征是，当负载非纯阻性时，功率放大器还包括两种能量回馈电路；第一种能量回馈电路是增加多个由N型调整管组成的跟随器结构的支路，分为上下两组，上组N型调整管的集电极分别通过二极管接至变压器最上面的抽头，发射极分别连接第一组电阻和地，下组N型调整管的发射极分别通过二极管接至变压器最下面的抽头，发射极分别连接第二组电阻和地，能量回馈到电阻上；第二种能量回馈电路是在各个射极跟随器电路中加入P型调整管构成的放大电路支路，其支路包括P型调整管的发射极与N型调整管的发射极连接，P型调整管的集电极与N型调整管的集电极通过两只反向的二极管接在一起，能量回馈到低压直流电压源。

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