電(diàn)路设计放大器中的谐波匹配

2020-04-21

電(diàn)路设计如何从放大器输出中在PCB级或封装级创建所需的波形？

输入谐波终端。通过添加或去除一些谐波成分(fēn)，可(kě)以使用(yòng)这种简单的技术来设计功率放大器的输出波形。执行此操作的标准方法是利用(yòng)功率放大器電(diàn)路的输入或输出上的传输線(xiàn)谐振。这样可(kě)以调整放大器输出中的不同谐波，以产生所需的波形。以下是利用(yòng)传输線(xiàn)谐振作為(wèi)谐波终端的一部分(fēn)的方法。

附加谐波从何而来？

回答(dá)这个问题需要对放大器中使用(yòng)的晶體(tǐ)管以及它们如何在频域中成形波形有(yǒu)一些基本的了解。不同的放大器类具有(yǒu)不同的拓扑，并且可(kě)以在饱和状态或接近饱和状态下运行。下图显示了由具有(yǒu)一定直流偏移的正弦波驱动时，不同放大器类别的一些理(lǐ)想输出波形。

 

打算在線(xiàn)性范围内驱动的一个放大器类别是A类放大器，其中输出只是输入正弦波的放大版本。理(lǐ)想情况下，输出中没有(yǒu)额外的谐波含量。可(kě)以将AB，B和C类视為(wèi)经过整流的線(xiàn)性输出，但可(kě)以将正极性和负极性信号重新(xīn)组合以重建输入正弦波。

较高的等级（D至T）设计為(wèi)输出初始输入正弦波形，以及一些附加的谐波含量。有(yǒu)两种方法可(kě)以产生这种额外的谐波含量：

添加一些额外的输入谐波成分(fēn)（例如，具有(yǒu)方波或锯齿波的源），并以線(xiàn)性方式运行放大器。在这种情况下效率会降低。

在高度饱和的状态下运行放大器。这将产生一些更高阶的谐波含量，从而在输出中提供很(hěn)高的理(lǐ)想化效率。

用(yòng)于某些RF产品的功率放大器，例如J类和F类功率放大器，在某些直流偏移的饱和状态下会大量运行，并且额外的谐波含量可(kě)提供更高的有(yǒu)效效率。波形整形是通过在特定频率下提供谐振并从输出中去除某些频率来执行的。这是谐波终端的中心理(lǐ)想。

使用(yòng)传输線(xiàn)和LC電(diàn)路进行谐波端接

如果您可(kě)以控制放大器输出中无限数量的谐波，那么放大器的效率将接近100％。实际上，强控制仅在特定谐波下可(kě)行，并且仅某些输出谐波将占主导地位。使用(yòng)串联或振荡LC電(diàn)路是在输出频谱中特定谐波处产生谐振的有(yǒu)效方法。基波谐波的整数倍（偶数或奇数）也可(kě)以使用(yòng)具有(yǒu)定义的特征阻抗的短路传输線(xiàn)来控制。

使用(yòng)串联和/或储罐LC電(diàn)路

从栅极输入端到地面或从输出端到地面放置一个串联LC電(diàn)路作為(wèi)并联元件，将在特定频率下产生谐振。换句话说，该频率下的阻抗将為(wèi)零，因此電(diàn)流将接地短路。如果使用(yòng)LC谐振電(diàn)路，则所需频率下的阻抗将是无限的。这些電(diàn)路提供了一种通过增强或消除正弦输谐波来调谐输出波形的简单方法。

对于谐波而言，二阶和三阶谐波最為(wèi)重要，因為(wèi)它们将具有(yǒu)很(hěn)高的强度，因此，对于这些特定频率，必须将任何LC電(diàn)路设计為(wèi)带通或带阻滤波器，作為(wèi)谐波终止的一部分(fēn)。请注意，连接到负载的線(xiàn)也是传输線(xiàn)，需要设计為(wèi)具有(yǒu)所需的特性阻抗。入的特定使用(yòng)谐振传输線(xiàn)

在这种策略中，目标是设计一条传输線(xiàn)，该传输線(xiàn)的長(cháng)度应能(néng)在特定频率下产生强烈的共振。这是通过考虑線(xiàn)路的输入阻抗来完成的。可(kě)以将第n次谐波看到的输入阻抗写為(wèi)谐波数n的函数：

如果将線(xiàn)路放置為(wèi)并联元件，则您的目标是进行调整，以使所需谐波处的输入阻抗為(wèi)无穷大或零。相同的条件将适用(yòng)于下一个更高的偶数或奇数谐波。尽管需要包括负载阻抗，但相同的想法适用(yòng)于晶體(tǐ)管输出和负载之间的串联線(xiàn)。