在这篇文章中，我们讨论了一种专门为E类射频放大器设计的调谐方法。
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在之前的文章中，我们深入研究了E类放大器的理论工作原理。我们还讨论了几个非理想性，例如实际晶体管的非零开关时间，这些非理想性会导致与这一理论理想的偏差。实用的E类放大器还必须考虑电子元件的容差和电路中寄生元件的存在。否则，这些影响将导致放大器失谐，从而导致性能下降。
虽然我们不能完全消除组件的非理想性，但可以纠正它们。在本文中，我们将探索一种专门为E类放大器设计的成熟调谐方法。即使不知道负载网络组件的精确值，我们也可以使用此过程微调组件值以获得最佳性能。
优化放大器性能的调谐
图1显示了E级的基本拓扑结构。
图1基本E类放大器示意图。图片由Steve Arar提供为了确定该电路的元件值，我们使用本系列文章前面介绍的设计方程。尽管E类放大器对电路参数的变化有一定的弹性，但我们仍然应该计划调谐元件值以获得最佳性能。图2对比了正确调谐和失谐放大器的典型开关波形。
最佳波形具有以下特征：
当开关打开时，其两端的电压为零。
在开关接通的瞬间，开关电压的斜率为零。
开关占空比为50%。
当这些条件不满足时，我们通过重新调谐放大器来获得最佳操作。在接下来的部分中，我们将讨论如何做到（和不做到）这一点。
寻找可靠的调谐指标
我们不能使用直流输入功率（Pin）或射频输出功率（Pout）作为调谐E类放大器的指标。要理解为什么不，我们首先需要考虑放大器负载网络的阻抗相位角（ѱ）。我们也可以将其称为负载角。
对于最佳的E类放大器，串联RLC电路在基频下的有效阻抗由下式给出：
方程式1由此我们观察到，最佳载荷角为ѱ=tan-1（1.1525）=49.052度。
接下来，让我们看看Pin、Pout和效率（η）如何随负载角度而变化。这些关系如图3所示。注意，在该图中，输入功率和输出功率由Pi和Po表示。
图3上图：效率与负载角度的函数关系。底图：输入功率和输出功率随负载角度的变化。图片由F.Raab提供该图显示，η、Pin和Pout的最大值出现在不同的负载角度值处：
效率（η）在ѱ=49度和65度时达到最大值。
直流输入功率（Pin）在ѱ=-5度时达到最大值。
射频输出功率（Pout）在ѱ=10度时达到最大值。
在这三个参数中，只有效率的最大值接近最佳负载角度（ѱ=49.052度）。由此可以明显看出，我们不能使用Pin或Pout作为调谐指标。
我们可以通过测量Pin和Pout来确定集电极效率，然后使用这些信息来调谐放大器。然而，这种方法既繁琐又相对不切实际。
相反，我们将讨论一种基于分析开关电压波形的E类放大器的既定调谐方法。这种方法使我们能够在不知道负载网络中组件值或寄生元件的确切值的情况下构建最佳的E类放大器。
电路参数的变化会改变开关电压波形
对于调谐不当的放大器，开关两端的电压有峰值和谷值，如图4所示。
图4 调谐不当放大器的典型开关电压波形。图片由N.O.Sokal提供如果我们改变以下电路元件的值，则槽的位置会以可预测的方式发生变化：
分流电容器（Csh）。
RLC电路的电容器（C0）。
RLC电路的电感器（L0）。
负载电阻器（RL）。
如图5所示。
当我们改变分流电容、串联电容和串联电感时，槽的位置也会发生变化。
图5 当我们改变Csh、L0和C0时，波谷的位置也会发生变化。图片由Steve Arar提供总结上图：
增加Csh会使波形的波谷向上和向右移动。
增加C0和L0会使波谷向下向右移动。
增加RL会使波谷向上移动。
请注意，RL通常不是RF电路的可调参数。为了完整起见，它包含在上面。相反，我们通过调谐L0、C0和Csh的值来调谐放大器。
调谐程序
现在我们知道要调谐哪些参数了，我们就可以完成调优过程了。让我们一步步来。
步骤1：确定串联电感
对于给定的负载电阻（RL）和Q因子，我们使用以下关系选择合适的电感（L0）：
方程式2其中ω是角频率。我们将假设RL、L0和操作频率在整个调谐过程中保持其标称值。
步骤2：调谐电源电压和占空比
完成步骤1后，我们向电路施加低直流电源电压（约4V），并将占空比调谐为50%。使用低电源电压的想法是在调谐放大器时防止损坏晶体管。失谐放大器可能会产生过高的集电极电压或功耗。
为了确定占空比，我们需要确切地知道晶体管何时切换。然而，从集电极电压波形中可能无法清楚地看到开关时刻。在这种情况下，N.O.Sokal建议检查基极电压（VBE）波形。他将开启点识别为VBE上升沿达到+0.8V的时刻，将关闭点识别为VB下降沿降至0V的时刻。
第三步：找到槽并调谐电容
接下来，我们找到电压波形的波谷。根据槽的位置，我们调谐Csh和C0。例如，考虑图6中的失谐开关电压波形。此图中的垂直箭头指向晶体管导通时刻。
图6在失谐放大器中打开开关电压。图片由N.O.Sokal提供为了匹配最佳波形，该波形的波谷必须向下和向左移动。回头参考图5，我们观察到需要降低Csh才能发生这种情况。
在上述示例中，请注意，由于所选的分量值，波形的波谷实际上隐藏在视线之外。实际上，在分流电容器两端的电压达到低谷之前，开关就会打开。在无法观察到波谷的情况下，我们可以通过目视检查波形来估计其位置。
步骤4：将电源电压恢复到标称水平
接下来，我们逐渐增加直流电源电压（Vcc），直到它达到标称水平。在我上面链接的论文中，N.O.Sokal建议每次将Vcc增加50%。由于晶体管的集电极-基极电容随着电源电压的升高而减小，我们可能需要在Vcc每次增量增加后重新调谐Csh、C0和占空比。出现这种需要是因为集电极-基极电容改变了Csh的有效值。
步骤5：验证调优结果
当调谐过程正确完成时，我们应该获得与图7中类似的最佳电压波形。
图7 在适当调谐的放大器中切换电压波形。图片由N.O.Sokal提供最后一步是通过稍微增加Csh来执行调优验证。这种调谐应该会导致开启瞬间的电压波形明显下降，类似于我们在图6中观察到的情况。这表示开关接通的精确时刻，使我们能够很容易地验证占空比为50%，电压波形的斜率在接通时刻为零。
一旦这些特征得到确认，我们就可以将Csh重新调谐到其原始值，从而回到最佳波形。
总结
在本文中，我们讨论了一种特定于E类的调优方法，该方法使我们即使在非理想负载网络组件的情况下也能获得最佳性能。我们可以将此过程总结如下：
根据负载电阻、Q因子和工作频率选择合适的串联电感。
向电路施加低直流电源电压，并将占空比调谐为50%。
找到得到的开关电压波形的波谷，然后调谐电容（Csh和C0），直到波谷在所需的位置。请参阅图5，了解每个分量值如何影响波形。
将直流电源电压以50%的增量增加到其标称水平，根据需要重新调谐电容和占空比。
通过略微增加分流电容并观察其在开关打开时对电压波形的影响来验证结果。
这是本系列的最后一篇文章，重点介绍E类功率放大器。下一篇文章将介绍F类功率放大器。
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