建设一个网站需要用到几个语言,免费的网站推广 外贸,将网站制作成app,毕设做桌面软件还是网站在本文中#xff0c;我们将讨论另一种 D 类配置#xff1a;变压器耦合电压切换 (TCVS) 放大器。TCVS 放大器的原理图如图 1 所示。
变压器耦合电压开关 D 类放大器的示意图。 图 1.变压器耦合电压开关 D 类放大器。
在本文中#xff0c;我们将探索该放大器的工作原理…在本文中我们将讨论另一种 D 类配置变压器耦合电压切换 (TCVS) 放大器。TCVS 放大器的原理图如图 1 所示。
变压器耦合电压开关 D 类放大器的示意图。 图 1.变压器耦合电压开关 D 类放大器。
在本文中我们将探索该放大器的工作原理分析其性能并将其与基本的 B 类配置进行比较。为了巩固我们讨论的概念我们还将在两个示例问题中确定 TCVS 放大器的电路参数。不过在此之前让我们先检查一下电路本身。
TCVS 放大器原理图
您可能已经注意到图 1 中的原理图与我们在之前的文章中了解的变压器耦合推挽式 B 类放大器之间存在一些相似之处。为了便于比较图 2 中重现了推挽式 B 类级的简化图。 变压器耦合推挽式 B 类放大器的电路图。
图 2.变压器耦合推挽式 B 类放大器。
在上述两种配置中两个晶体管Q 1和 Q 2在输入信号的交替半周期内工作。在任何给定时间只有一个晶体管处于导通状态。为了避免两个晶体管同时导通中心抽头输入变压器 (T 2 ) 从单端输入信号产生相反极性的驱动信号。
T 2的中心抽头连接到固定偏置电压。在图 2 中该电压标记为Vbias。对于推挽式 B 类放大器Vbias的选择应使晶体管的偏置电压适当地略低于其导通点。对于 TCVS 配置偏置电压为地。
两种类型的功率放大器都使用输出变压器 (T 1 ) 来合并集电极电流。在图 1 和图 2 中输出变压器的中心抽头都连接到电源 ( V CC )。一个主要区别是推挽式 B 类级直接连接到负载。另一方面TCVS 配置通过串联 LC 电路连接到负载。
尽管有上述相似之处但这两个放大器的工作方式却完全不同。在推挽式 B 类放大器中晶体管作为电流源工作在 T 1的次级产生正弦电压。然而在 TCVS 放大器中晶体管被驱动得足够硬可以充当开关T 1次级的电压信号是方波。
TCVS 放大器如何工作
首先让我们考虑一下 TCVS 放大器操作的每个半周期。图 3 中的简化图显示了当上部开关 (S 1 ) 闭合且下部开关 (S 2 ) 断开时的放大器。我们假设晶体管充当理想开关这就是为什么 S 1和 S 2在本图和后续图中取代了 Q 1和 Q 2 。
当上开关打开且下开关关闭时的 TCVS 放大器。 图 3. S 1开启且 S 2关断时的 TCVS 放大器。
在这个半周期中节点C明显处于地电位。初级绕组的上段出现V CC的电压降。其极性在图中以紫色显示。
由于变压器的作用下部绕组也会产生相同的电压。因此节点 D 的电压为 2 V CC而节点 C 的电压为地。请注意我们假设变压器和开关都是理想的。 图 4 示出了下一个半周期其中 S 1打开而 S 2关闭。
当上部开关关闭且下部开关打开时的 TCVS 放大器。
图 4. S 1关闭且 S 2开启时的 TCVS 放大器。
现在初级绕组下段上出现了V CC电压。绕组之间的磁耦合在初级绕组上段上产生了相同的电压。再次极性显示为紫色。在这个半周期中节点 D 接地节点 C 为 2 V CC。
了解电压波形
回顾一下
当 S 1处于关闭状态且 S 2处于打开状态时节点 C 为 2 V CC而节点 D 处于接地状态。
当 S 1为 ON 且 S 2为 OFF 时节点 C 接地节点 D 为 2 V CC。
因此节点 C 和节点 D 处的电压分别为V C和V D为在零和 2 V CC之间切换的方波。图 5 显示了两个完整周期内的这些电压波形假设在个半周期内S 1为 OFFS 2为 ON。
节点 C顶部和节点 D底部处的电压。 图 5.两个完整运行周期内节点 C顶部和节点 D底部的电压。
这里的关键点是每个晶体管的集电极-发射极电压是电源电压的两倍 (2 V CC )。在为 TCVS 放大器选择晶体管时应考虑到这一点。
接下来让我们确定调谐电路输入端节点 E的电压。从图 3 和图 4 中我们观察到极性交替的V CC电压在初级绕组的每个部分上下降。由于初级绕组中的每个部分都有m匝而次级绕组有n匝因此节点 E 处的电压幅度为 ( n / m ) V CC。由于极性在一个半周期中为正在另一个半周期中为负因此节点 E 处的电压在 ( n / m ) V CC和 –( n / m ) V CC之间切换。
这其实是 TCVS 电路的一个优点。通过改变输出变压器的匝数比我们可以根据设计规范调整输出方波的幅度。节点 E ( V E ) 的电压波形如图 6 所示。
两个完整运行周期内节点 E 处的电压。 图 6.两个完整运行周期内节点 E 处的电压。
TCVS 电路的操作与图 7 中的基本 D 类放大器的操作非常相似。
基本 D 类放大器的图表。 图7.基本D类放大器。
这是我们用来介绍D 类操作概念的同一个简单电路。在这里与 TCVS 放大器一样S 1和 S 2交替打开和关闭以在节点 E 产生方波。但是方波在地和V CC之间切换而不是在 ( n / m ) V CC和 –( n / m ) V CC之间切换。
现在我们了解了 TCVS 放大器的工作原理让我们来检查一下它的性能。
查找 TCVS 放大器的输出功率
放大器的串联 RLC 电路对输入电压的基频分量除基频分量外都表现出非常大的阻抗。因此调谐电路会在基频处施加正弦电流图 8。
基频的正弦电流流过RLC电路。 图 8.基频的正弦电流流过 RLC 电路。
要找到 TCVS 放大器输出电流的幅度我们需要找到节点 E 处的方波的基波分量。使用傅里叶级数表示我们可以用其组成频率分量来表示图 6 中的方波电流
$$v_E~~\frac{4}{\pi} \frac{n}{m}V_{CC} \sum_{p1}^{\infty}\frac{\sin((2p~-~1)\omega_{0}t)}{2p~-~1}$$
等式 1.
在哪里
n 输出变压器次级绕组的匝数
m 输出变压器初级绕组每段的匝数。
因此方波的基波分量的峰值为
$$v_{E, \ fund}~~ \frac{4}{\pi}\frac{n}{m} V_{CC}$$
等式 2.
除以R L我们可以得出输出电流的峰值
$$I_p ~~ \frac{4}{\pi}\frac{n}{m} \frac{V_{CC}}{R_L}$$
等式 3.
终输出功率为
$$P_{L} ~~ R_Li_{rms}^2 ~~ \frac{8}{\pi^2} (\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L}$$
等式 4.
其中i rms I p /\(\sqrt{2}\)。
公式 3 和公式 4 是设计 TCVS 放大器的关键关系我们稍后会看到。同时让我们找出 TCVS 放大器的理论效率。
确定 TCVS 放大器的效率
要计算放大器的效率我们需要知道输出功率公式 4和输入功率。输入功率等于电源电压乘以电源电流的平均值。
虽然输出电流 ( i RF ) 是正弦波但流过开关的电流图 1 中的i 1和i 2是半波整流正弦波。因此从电源抽取的总电流 ( i cc ) 是全波整流正弦波。该电流波形如图 9 所示。
从电源吸取的总电流是全波整流正弦波。 图 9.从电源吸取的总电流是全波整流正弦波。
尽管iRF的峰值为Ip 但icc的峰值为 ( n / m ) Ip 。这是由于变压器的电流缩放功能。您可以轻松验证幅度为 Ip 的全波整流正弦波具有2Ip / π的直流分量。图 9 中幅度为(n / m ) Ip的波形的平均值是
$$I_{dc} ~~ \frac{2}{\pi} \big ( \frac{n}{m}I_p \big )$$
等式 5.
乘以V CC并代入公式 3 中的I p后可得出电源输送的功率为
$$P_{CC} ~~ \frac{8}{\pi^2} \Big ( \frac{n}{m} \Big )^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L}$$
等式 6.
这等于公式 4 中的输出功率这意味着 TCVS 放大器与互补电压开关放大器一样的理想效率为 100%。
示例 1选择 TCVS 放大器的晶体管电压和电流
在上一篇文章中我们找到了基本 D 类放大器图 7的电源电压和开关电流该放大器向 50 Ω 负载提供 20 W 功率。让我们针对理想 TCVS 放大器重复此示例该放大器向 50 Ω 负载提供 20 W 功率。假设匝数比 ( n / m ) 为 1。
我们从电源电压开始。将示例值代入公式 4可得出
$$P_{L} ~~ \frac{8}{\pi^2} (\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L} ~~\rightarrow~~20 ~~ \frac{8}{\pi^2} ~\times~ 1 ~\times~ \frac{V_{CC}^2}{50}$$
等式 7.
求解V CC我们得到
$$V_{CC}~~ \sqrt{\frac{1000}{8} \pi^2}~~35.1$$
等式 8.
TCVS放大器的电源电压为35.1V。
从图 9 可以看出流过开关的电流为 ( n / m ) I p。代入公式 3 中的I p我们可得出
$$I_{max} ~~ \frac{4}{\pi}(\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}}{R_L}$$
等式 9.
我们知道V CC 35.1 V、( n / m ) 1 和R L 50 Ω。将这些值代入公式 9我们得到
$$I_{max}~~(\frac{4}{\pi})(\frac{35.1}{50})~~0.89$$
等式 10。
TCVS 放大器的开关电流为 0.89 A。
TCVS 放大器与基本 D 类放大器
回想一下我们之前使用基本 D 类放大器而不是 TCVS 放大器完成了示例 1。这为我们提供了一个有用的起点来比较这两种设计正如我们将在本节中看到的那样。
给定输出功率的电源电压和开关电流
总结上一节的结果对于向 50 Ω 电阻负载输出 20 W 功率的 TCVS 放大器 V CC 35.1 V 和I max 0.89 A。对于相同的输出功率和负载电阻基本 D 类放大器需要 70.2 V 的电源电压。与 TCVS 放大器一样其每个开关的电流为 0.89 A。换句话说TCVS 配置允许我们在使用相同电流的同时将电源电压减半。
TCVS 放大器如何实现这一点假设n / m 1TCVS 电路在调谐电路的输入端产生峰峰值为 2 V CC的方波。另一方面基本 D 类放大器产生峰峰值为V CC。这允许 TCVS 电路在给定输出功率和负载的情况下将电源电压减半。
集电极-发射极电压
那么集电极-发射极电压又如何呢在基本的 D 类配置中集电极-发射极电流等于V CC即 70.2 V。但是图 5 中的波形显示 TCVS 电路中的集电极-发射极电压是电源电压 (2 V CC ) 的两倍。因此虽然我们可以在 TCVS 设计中使用V CC 35.1 V的电源电压但晶体管应承受的集电极-发射极电压为 70.2 V — 与基本 D 类设计相同。
固定电源的开关电流和输出功率
假设我们保持电源电压和负载电阻不变。基本D类放大器和TCVS放大器的开关电流和输出功率有何变化
从首先介绍该配置的文章中我们知道基本 D 类放大器的开关电流为
$$I_{max} ~~ \frac{2V_{CC}}{\pi R_L}$$
等式 11.
如果我们将其与 TCVS 放大器的开关电流公式 9进行比较我们会发现对于给定的电源电压假设n / m 1TCVS 电路所需的电流是基本 D 类放大器的两倍。同时基本 D 类放大器的输出功率为
$$P_{L} ~~ \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2 R_L}$$
等式 12.
公式 4 和公式 12 表明对于相同的电源电压和负载阻抗TCVS 电路的输出功率是基本 D 类放大器的四倍。我们再次假设n / m 1。
但是如果n / m不等于 1 会怎样TCVS 电路中输出变压器的匝数比为我们提供了一个额外的设计参数。正如我们的下一个示例将说明的那样此参数可用于权衡电源电压和开关电流。
示例 2了解输出变压器的作用
假设 TCVS 放大器要为 50 Ω 负载提供 20 W 功率如上例所示。然而匝数比现在为n / m 2。所需的电源电压和开关电流是多少
将上述值代入公式 4我们得到
$$P_{L} ~~ \frac{8}{\pi^2} (\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L} ~~\rightarrow ~~20 ~~ \frac{8}{\pi^2} ~\times~ 2^2 ~\times~ \frac{V_{CC}^2}{50}$$
等式 13.
求解V CC可得出
$$V_{CC}~~\sqrt{\frac{1000}{32} \pi^2}~~17.56$$
等式 14.
电源电压为V CC 17.56 V是上例中所得值的一半。开关电流为
$$I_{max} ~~ \frac{4}{\pi}(\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}}{R_L} ~~\rightarrow~~ I_{max} ~~ \frac{4}{\pi} ~\times~ 2^2~ \times~ \frac{17.56}{50}~~1.79$$
等式 15.
Imax 1.79A是之前值的两倍。简而言之匝数比加倍可将所需电源电压降低两倍并将电流增加相同倍数。
