了解變壓器耦合電壓開關(guān)D類放大器

在本文中，我們將學(xué)習(xí)變壓器耦合電壓開關(guān)D類放大器的工作原理，并重點(diǎn)介紹它的一些優(yōu)點(diǎn)。

本系列的前幾篇文章研究了互補(bǔ)電壓開關(guān)D類放大器以及影響其性能的一些非理想因素。在本文中，我們將討論一種不同的D類配置：變壓器耦合電壓開關(guān)（TCVS）放大器。TCVS放大器的示意圖如圖1所示。

變壓器耦合電壓開關(guān)D類放大器示意圖。

圖1.變壓器耦合電壓開關(guān)D類放大器

在本文中，我們將探討該放大器的操作，分析其性能，并將其與基本的B類配置進(jìn)行比較。為了幫助鞏固我們討論的概念，我們還將在兩個(gè)示例問題中確定TCVS放大器的電路參數(shù)。然而，在這之前，讓我們檢查一下電路本身。

TCVS放大器示意圖

您可能已經(jīng)注意到圖1與之前文章中的變壓器耦合推挽式B類放大器之間，存在一些相似之處。為了便于比較，圖2中再現(xiàn)了推挽式B級的簡化圖。

變壓器耦合推挽式B類放大器的電路圖。

圖2.變壓器耦合推挽式B類放大器

在上述兩種配置中，兩個(gè)晶體管（Q1和Q2）在輸入信號的交替半周期內(nèi)工作。在任何給定時(shí)間，只有一個(gè)晶體管被驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。為了避免兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通，中心抽頭輸入變壓器（T2）從單端輸入信號產(chǎn)生相反極性的驅(qū)動(dòng)信號。

T2的中心抽頭連接到固定偏置電壓。在圖2中，該電壓標(biāo)記為Vbias。對于推挽式B級，選擇Vbias以適當(dāng)?shù)仄镁w管，使其剛好低于導(dǎo)通點(diǎn)。對于TCVS配置，偏置電壓為地。

這兩種類型的功率放大器都使用輸出變壓器（T1）來組合集電極電流。在圖1和圖2中，輸出變壓器的中心抽頭連接到電源（VCC）。一個(gè)主要區(qū)別是推挽式B級直接連接到負(fù)載。另一方面，TCVS配置通過串聯(lián)LC電路連接到負(fù)載。

盡管有上述相似之處，但這兩個(gè)放大器的工作方式完全不同。在推挽式B類放大器中，晶體管作為電流源工作，在T1的次級產(chǎn)生正弦電壓。然而，使用TCVS放大器，晶體管被足夠硬地驅(qū)動(dòng)以充當(dāng)開關(guān)，T1次級的電壓信號是方波。

TCVS放大器是如何工作的？

首先，讓我們考慮TCVS放大器工作的每個(gè)半周期。圖3中的簡化圖顯示了當(dāng)上部開關(guān)（S1）閉合而底部開關(guān)（S2）打開時(shí)的放大器。我們假設(shè)晶體管充當(dāng)理想開關(guān)，這就是為什么在本圖和下圖中S1和S2取代了Q1和Q2。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，其相應(yīng)的開關(guān)閉合；當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)開關(guān)斷開。

當(dāng)上部開關(guān)打開而下部開關(guān)關(guān)閉時(shí)，TCVS放大器。

圖3.當(dāng)S1關(guān)閉而S2打開時(shí)，TCVS放大器

在這個(gè)半周期中，節(jié)點(diǎn)C顯然處于地電位。VCC的電壓降出現(xiàn)在初級繞組的上段。其極性在圖中以紫色顯示。

由于變壓器的作用，下繞組上也感應(yīng)出相同的電壓。因此，節(jié)點(diǎn)D處于2VCC，而節(jié)點(diǎn)C處于地。請注意，我們假設(shè)變壓器和開關(guān)都是理想的。

圖4顯示了下一個(gè)半周期，即S1打開，S2關(guān)閉。

當(dāng)上部開關(guān)關(guān)閉而下部開關(guān)打開時(shí)，TCVS放大器。

圖4.當(dāng)S1打開而S2關(guān)閉時(shí)，TCVS放大器

VCC的電壓現(xiàn)在出現(xiàn)在初級繞組的下段。繞組之間的磁耦合在初級繞組的上段產(chǎn)生相同的電壓。極性再次以紫色顯示。在這個(gè)半周期中，節(jié)點(diǎn)D接地，節(jié)點(diǎn)C處于2VCC。

了解電壓波形

查看：

當(dāng)Q1關(guān)斷而Q2接通時(shí)，節(jié)點(diǎn)C處于2VCC，節(jié)點(diǎn)D處于地。

當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，節(jié)點(diǎn)C接地，節(jié)點(diǎn)D為2VCC。

因此，節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)D處的電壓（分別為VC和VD）是在零和2VCC之間切換的方波。圖5顯示了兩個(gè)完整周期內(nèi)的電壓波形，假設(shè)Q1在前半個(gè)周期為OFF，Q2為ON。

節(jié)點(diǎn)C（頂部）和節(jié)點(diǎn)D（底部）的電壓。

圖5.節(jié)點(diǎn)C（頂部）和節(jié)點(diǎn)D（底部）在兩個(gè)完整操作周期內(nèi)的電壓

這里的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是，每個(gè)晶體管的最大集電極-發(fā)射極電壓是電源電壓（2VCC）的兩倍。在為TCVS放大器選擇晶體管時(shí)，應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

接下來，讓我們確定調(diào)諧電路輸入端（節(jié)點(diǎn)E）的電壓。從圖3和圖4中，我們觀察到具有交替極性的VCC電壓在初級繞組的每個(gè)段上下降。由于初級繞組中的每個(gè)段有m匝，次級繞組有n匝，因此節(jié)點(diǎn)E處的電壓具有（n/m）VCC的幅度。因?yàn)闃O性在一個(gè)半周期為正，在另一個(gè)半周為負(fù)，所以節(jié)點(diǎn)E處的電壓在+（n/m）VCC和-（n/m）VCC之間切換。

這實(shí)際上是TCVS電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。通過改變輸出變壓器的匝數(shù)比，我們可以根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范縮放輸出方波的振幅。節(jié)點(diǎn)E（VE）的電壓波形如圖6所示。

節(jié)點(diǎn)E在兩個(gè)完整操作周期內(nèi)的電壓。

圖6.節(jié)點(diǎn)E在兩個(gè)完整操作周期內(nèi)的電壓

TCVS電路的操作與圖7中的基本D類放大器的操作非常相似。

基本D類放大器示意圖。

圖7.基本的D類放大器

這就是我們用來介紹D類運(yùn)算概念的簡單電路。這里，與TCVS放大器一樣，S1和S2交替地接通和關(guān)斷，以在節(jié)點(diǎn)E處產(chǎn)生方波。然而，方波在接地和VCC之間切換，而不是在+（n/m）VCC和-（n/m）VCC之間切換。

現(xiàn)在我們了解了TCVS放大器的工作原理，讓我們檢查一下它的性能。

尋找TCVS放大器的輸出功率

放大器的串聯(lián)RLC電路對輸入電壓的基頻分量以外的所有部分都呈現(xiàn)出非常大的阻抗。因此，調(diào)諧電路在基頻下施加正弦電流（圖8）。

基頻的正弦電流流過RLC電路。

圖8.基頻的正弦電流流過RLC電路

為了找到TCVS放大器輸出電流的幅度，我們需要找到節(jié)點(diǎn)E處方波的基波分量。使用傅里葉級數(shù)表示，我們可以根據(jù)其組成頻率分量表示圖6中的方波電流：

方程式1.

解釋：

n=輸出變壓器次級繞組的匝數(shù)

m=輸出變壓器初級繞組每段的匝數(shù)。

因此，方波的基本分量具有峰值：

方程式2.

除以RL，我們得到輸出電流的峰值：

方程式3.

最后，輸出功率為：

方程式4.

其中

 irms = Ip/$\sqrt{2}$

方程式3和4是設(shè)計(jì)TCVS放大器的關(guān)鍵關(guān)系，我們稍后會(huì)看到。同時(shí)，讓我們找到TCVS放大器的理論效率。

尋找TCVS放大器的效率

為了計(jì)算放大器的效率，我們需要知道輸出功率（方程式4）和輸入功率。輸入功率等于電源電壓乘以從電源汲取的電流的平均值。

雖然輸出電流（iRF）是正弦曲線，但通過開關(guān)（圖1中的i1和i2）的電流是半波整流正弦曲線。因此，從電源（icc）汲取的總電流是全波整流正弦曲線。該電流波形如圖9所示。

從電源汲取的總電流是全波整流正弦曲線。

圖9.從電源汲取的總電流是全波整流正弦曲線

雖然iRF的峰值是Ip，但icc的峰值是（n/m）Ip。這是由于變壓器的電流縮放功能。你可以很容易地驗(yàn)證振幅為Ip的全波整流正弦曲線具有2Ip/π的直流分量。圖9中振幅為（n/m）Ip的波形的平均值為：

方程式5.

在乘以VCC并從方程3中代入Ip后，發(fā)現(xiàn)電源提供的功率為：

方程式6.

這等于方程4中的輸出功率，這意味著TCVS放大器——就像互補(bǔ)電壓開關(guān)放大器一樣——具有100%的理想效率。

示例1：為TCVS放大器選擇最大晶體管電壓和電流

在上一篇文章中，我們發(fā)現(xiàn)了基本D類放大器（圖7）的電源電壓和最大開關(guān)電流，該放大器向50Ω負(fù)載提供了20 W的功率。讓我們對一個(gè)理想的TCVS放大器重復(fù)這個(gè)例子，該放大器為50Ω負(fù)載提供20 W的功率。假設(shè)匝數(shù)比（n/m）為1。

我們將從電源電壓開始。將我們的示例值代入方程4，我們得到：

方程式7.

求解VCC，我們得到：

方程式8.

TCVS放大器的電源電壓為35.1V。

從圖9中可以看出，通過開關(guān)的最大電流為（n/m）Ip。用方程式3中的Ip替換，我們得到：

方程式9.

我們知道VCC=35.1 V，（n/m）=1，RL=50Ω。將這些值代入方程式9，我們得到：

方程式10.

TCVS放大器的最大開關(guān)電流為0.89 A。

TCVS放大器與基本D類放大器的比較

回想一下，我們之前使用基本的D類放大器而不是TCVS放大器完成了示例1。這為我們比較這兩種設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有用的起點(diǎn)，我們將在本節(jié)中看到。

給定輸出功率下的電源電壓和最大開關(guān)電流

總結(jié)上一節(jié)的結(jié)果，對于向50Ω電阻負(fù)載提供20 W功率的TCVS放大器，VCC=35.1 V，Imax=0.89 A。對于相同的輸出功率和負(fù)載電阻，基本的D類放大器需要70.2 V的電源電壓。與TCVS放大器一樣，其每個(gè)開關(guān)的最大電流為0.89 a。換句話說，TCVS配置允許我們在使用相同的最大電流的同時(shí)將電源電壓減半。

TCVS放大器是如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的？假設(shè)n/m=1，TCVS電路在調(diào)諧電路的輸入端產(chǎn)生峰峰值為2VCC的方波。另一方面，基本的D類放大器產(chǎn)生VCC的峰峰值。這就是TCVS電路在給定的輸出功率和負(fù)載下將電源電壓減半的原因。

最大集電極-發(fā)射極電壓

最大集電極-發(fā)射極電壓是多少？在基本的D類配置中，最大集電極-發(fā)射極電流等于VCC，即70.2 V。然而，圖5中的波形顯示，TCVS電路中的最大集電極-發(fā)射器電壓是電源電壓（2VCC）的兩倍。因此，雖然我們可以在TCVS設(shè)計(jì)中使用VCC=35.1V的電源電壓，但晶體管應(yīng)容忍的最大集電極-發(fā)射極電壓為70.2V，與基本的D類設(shè)計(jì)相同。

固定電源的最大開關(guān)電流和輸出功率

最后，假設(shè)我們保持電源電壓和負(fù)載電阻不變。基本D類放大器和TCVS放大器的最大開關(guān)電流和輸出功率如何變化？

從首次介紹配置的文章中，我們知道基本D類放大器的最大開關(guān)電流為：

方程式11.

如果我們將其與TCVS放大器的最大開關(guān)電流（方程式9）進(jìn)行比較，我們觀察到，對于給定的電源電壓（假設(shè)n/m=1），TCVS電路需要基本D類放大器最大電流的兩倍。同時(shí)，基本D類放大器的輸出功率為：

方程式12.

方程式4和12表明，對于相同的電源電壓和負(fù)載阻抗，TCVS電路的輸出功率是基本D類放大器的四倍。我們再次假設(shè)n/m=1。

但是，如果n/m不等于1呢？TCVS電路中輸出變壓器的匝數(shù)比為我們提供了一個(gè)額外的設(shè)計(jì)參數(shù)。正如我們的下一個(gè)例子將說明的那樣，此參數(shù)可用于權(quán)衡電源電壓和最大開關(guān)電流。

示例2：了解輸出變壓器的作用

假設(shè)TCVS放大器要向50Ω負(fù)載提供20 W的功率，如前一個(gè)例子所示。然而，匝數(shù)比現(xiàn)在為n/m=2。所需的電源電壓和最大開關(guān)電流是多少？

將上述值代入方程式4，我們得到：

方程式13.

求解VCC，我們得到：

方程式14.

電源電壓為VCC=17.56V，是我們在前一個(gè)例子中獲得的值的一半。最大開關(guān)電流為：

方程式15.

Imax=1.79 A，是前一個(gè)值的兩倍。簡而言之，將匝數(shù)比加倍可以將所需的電源電壓降低兩倍，并將最大電流增加相同的倍數(shù)。

下一篇

本文向我們介紹了變壓器耦合電壓開關(guān)D類放大器，也稱為TCVS放大器。在下一篇文章中，我們將把這種配置與變壓器耦合電流開關(guān)（TCCS）D類放大器進(jìn)行比較，我們將對此進(jìn)行詳細(xì)討論。