在本文中，我們將討論另一種 D 類配置：變壓器耦合電壓切換 (TCVS) 放大器。TCVS 放大器的原理圖如圖 1 所示。

變壓器耦合電壓開關(guān) D 類放大器的示意圖。

圖 1.變壓器耦合電壓開關(guān) D 類放大器。

在本文中，我們將探索該放大器的工作原理，分析其性能，并將其與基本的 B 類配置進(jìn)行比較。為了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)。不過，在此之前，讓我們先檢查一下電路本身。

TCVS 放大器原理圖

您可能已經(jīng)注意到圖 1 中的原理圖與我們?cè)谥暗奈恼轮辛私獾淖儔浩黢詈贤仆焓?B 類放大器之間存在一些相似之處。為了便于比較，圖 2 中重現(xiàn)了推挽式 B 類級(jí)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（Q 1和 Q 2）在輸入信號(hào)的交替半周期內(nèi)工作。在任何給定時(shí)間只有一個(gè)晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)。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 (T 2 ) 從單端輸入信號(hào)產(chǎn)生相反極性的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

T 2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(duì)于推挽式 B 類放大器，Vbias的選擇應(yīng)使晶體管的偏置電壓適當(dāng)?shù)芈缘陀谄鋵?dǎo)通點(diǎn)。對(duì)于 TCVS 配置，偏置電壓為地。

兩種類型的功率放大器都使用輸出變壓器 (T 1 ) 來合并集電極電流。在圖 1 和圖 2 中，輸出變壓器的中心抽頭都連接到電源 ( V CC )。一個(gè)主要區(qū)別是推挽式 B 類級(jí)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)放大器的工作方式卻完全不同。在推挽式 B 類放大器中，晶體管作為電流源工作，在 T 1的次級(jí)產(chǎn)生正弦電壓。然而，在 TCVS 放大器中，晶體管被驅(qū)動(dòng)得足夠硬，可以充當(dāng)開關(guān)，T 1次級(jí)的電壓信號(hào)是方波。

TCVS 放大器如何工作？

首先，讓我們考慮一下 TCVS 放大器操作的每個(gè)半周期。圖 3 中的簡化圖顯示了當(dāng)上部開關(guān) (S 1 ) 閉合且下部開關(guān) (S 2 ) 斷開時(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 S 1和 S 2在本圖和后續(xù)圖中取代了 Q 1和 Q 2 。

當(dāng)上開關(guān)打開且下開關(guān)關(guān)閉時(shí)的 TCVS 放大器。

圖 3. S 1開啟且 S 2關(guān)斷時(shí)的 TCVS 放大器。

在這個(gè)半周期中，節(jié)點(diǎn)C明顯處于地電位。初級(jí)繞組的上段出現(xiàn)V CC的電壓降。其極性在圖中以紫色顯示。

由于變壓器的作用，下部繞組也會(huì)產(chǎn)生相同的電壓。因此，節(jié)點(diǎn) D 的電壓為 2 V CC，而節(jié)點(diǎn) C 的電壓為地。請(qǐng)注意，我們假設(shè)變壓器和開關(guān)都是理想的。

圖 4 示出了下一個(gè)半周期，其中 S 1打開而 S 2關(guān)閉。

當(dāng)上部開關(guān)關(guān)閉且下部開關(guān)打開時(shí)的 TCVS 放大器。

圖 4. S 1關(guān)閉且 S 2開啟時(shí)的 TCVS 放大器。

現(xiàn)在初級(jí)繞組下段上出現(xiàn)了V CC電壓。繞組之間的磁耦合在初級(jí)繞組上段上產(chǎn)生了相同的電壓。再次，極性顯示為紫色。在這個(gè)半周期中，節(jié)點(diǎn) D 接地，節(jié)點(diǎn) C 為 2 V CC。

了解電壓波形

回顧一下：

當(dāng) S 1處于關(guān)閉狀態(tài)且 S 2處于打開狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn) C 為 2 V CC而節(jié)點(diǎn) D 處于接地狀態(tài)。

當(dāng) S 1為 ON 且 S 2為 OFF 時(shí)，節(jié)點(diǎn) C 接地，節(jié)點(diǎn) D 為 2 V CC。

因此，節(jié)點(diǎn) C 和節(jié)點(diǎn) D 處的電壓（分別為V C和V D）為在零和 2 V CC之間切換的方波。圖 5 顯示了兩個(gè)完整周期內(nèi)的這些電壓波形，假設(shè)在個(gè)半周期內(nèi)S 1為 OFF，S 2為 ON。

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

圖 5.兩個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)節(jié)點(diǎn) C（頂部）和節(jié)點(diǎn) D（底部）的電壓。

這里的關(guān)鍵點(diǎn)是每個(gè)晶體管的集電極-發(fā)射極電壓是電源電壓的兩倍 (2 V CC )。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，極性交替的V CC電壓在初級(jí)繞組的每個(gè)部分上下降。由于初級(jí)繞組中的每個(gè)部分都有m匝，而次級(jí)繞組有n匝，因此節(jié)點(diǎn) E 處的電壓幅度為 ( n / m ) V CC。由于極性在一個(gè)半周期中為正，在另一個(gè)半周期中為負(fù)，因此節(jié)點(diǎn) E 處的電壓在 +( n / m ) V CC和 –( n / m ) V CC之間切換。

這其實(shí)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)范調(diào)整輸出方波的幅度。節(jié)點(diǎn) E ( V E ) 的電壓波形如圖 6 所示。

兩個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)節(jié)點(diǎn) E 處的電壓。

圖 6.兩個(gè)完整運(yùn)行周期內(nèi)節(jié)點(diǎn) E 處的電壓。

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 類放大器的圖表。

圖7.基本D類放大器。

這是我們用來介紹D 類操作概念的同一個(gè)簡單電路。在這里，與 TCVS 放大器一樣，S 1和 S 2交替打開和關(guān)閉以在節(jié)點(diǎn) E 產(chǎn)生方波。但是，方波在地和V CC之間切換，而不是在 +( n / m ) V CC和 –( n / m ) V CC之間切換。

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

查找 TCVS 放大器的輸出功率

放大器的串聯(lián) RLC 電路對(duì)輸入電壓的基頻分量（除基頻分量外）都表現(xiàn)出非常大的阻抗。因此，調(diào)諧電路會(huì)在基頻處施加正弦電流（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。

要找到 TCVS 放大器輸出電流的幅度，我們需要找到節(jié)點(diǎn) E 處的方波的基波分量。使用傅里葉級(jí)數(shù)表示，我們可以用其組成頻率分量來表示圖 6 中的方波電流：

$$v_E~=~\frac{4}{\pi} \frac{n}{m}V_{CC} \sum_{p=1}^{\infty}\frac{\sin((2p~-~1)\omega_{0}t)}{2p~-~1}$$

等式 1.

在哪里：

n = 輸出變壓器次級(jí)繞組的匝數(shù)

m = 輸出變壓器初級(jí)繞組每段的匝數(shù)。

因此，方波的基波分量的峰值為：

$$v_{E, \ fund}~=~ \frac{4}{\pi}\frac{n}{m} V_{CC}$$

等式 2.

除以R L，我們可以得出輸出電流的峰值：

$$I_p ~=~ \frac{4}{\pi}\frac{n}{m} \frac{V_{CC}}{R_L}$$

等式 3.

終輸出功率為：

$$P_{L} ~=~ R_Li_{rms}^2 ~=~ \frac{8}{\pi^2} (\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L}$$

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)，讓我們找出 TCVS 放大器的理論效率。

確定 TCVS 放大器的效率

要計(jì)算放大器的效率，我們需要知道輸出功率（公式 4）和輸入功率。輸入功率等于電源電壓乘以電源電流的平均值。

雖然輸出電流 ( i RF ) 是正弦波，但流過開關(guān)的電流（圖 1 中的i 1和i 2）是半波整流正弦波。因此，從電源抽取的總電流 ( i cc ) 是全波整流正弦波。該電流波形如圖 9 所示。

從電源吸取的總電流是全波整流正弦波。

圖 9.從電源吸取的總電流是全波整流正弦波。

盡管iRF的峰值為Ip ，但icc的峰值為 ( n / m ) Ip 。這是由于變壓器的電流縮放功能。您可以輕松驗(yàn)證幅度為 Ip 的全波整流正弦波具有2Ip / π的直流分量。圖 9 中幅度為(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，可得出電源輸送的功率為：

$$P_{CC} ~=~ \frac{8}{\pi^2} \Big ( \frac{n}{m} \Big )^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L}$$

等式 6.

這等于公式 4 中的輸出功率，這意味著 TCVS 放大器（與互補(bǔ)電壓開關(guān)放大器一樣）的理想效率為 100%。

示例 1：選擇 TCVS 放大器的晶體管電壓和電流

在上一篇文章中，我們找到了基本 D 類放大器（圖 7）的電源電壓和開關(guān)電流，該放大器向 50 Ω 負(fù)載提供 20 W 功率。讓我們針對(duì)理想 TCVS 放大器重復(fù)此示例，該放大器向 50 Ω 負(fù)載提供 20 W 功率。假設(shè)匝數(shù)比 ( n / m ) 為 1。

我們從電源電壓開始。將示例值代入公式 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，我們得到：

$$V_{CC}~=~ \sqrt{\frac{1000}{8} \pi^2}~=~35.1$$

等式 8.

TCVS放大器的電源電壓為35.1V。

從圖 9 可以看出，流過開關(guān)的電流為 ( n / m ) I p。代入公式 3 中的I p，我們可得出：

$$I_{max} ~=~ \frac{4}{\pi}(\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}}{R_L}$$

等式 9.

我們知道V CC = 35.1 V、( n / m ) = 1 和R L = 50 Ω。將這些值代入公式 9，我們得到：

$$I_{max}~=~(\frac{4}{\pi})(\frac{35.1}{50})~=~0.89$$

等式 10。

TCVS 放大器的開關(guān)電流為 0.89 A。

TCVS 放大器與基本 D 類放大器

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

給定輸出功率的電源電壓和開關(guān)電流

總結(jié)上一節(jié)的結(jié)果，對(duì)于向 50 Ω 電阻負(fù)載輸出 20 W 功率的 TCVS 放大器， V CC = 35.1 V 和I max = 0.89 A。對(duì)于相同的輸出功率和負(fù)載電阻，基本 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)的電流為 0.89 A。換句話說，TCVS 配置允許我們?cè)谑褂孟嗤娏鞯耐瑫r(shí)將電源電壓減半。

TCVS 放大器如何實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)？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 2 V CC的方波。另一方面，基本 D 類放大器產(chǎn)生峰峰值為V CC。這允許 TCVS 電路在給定輸出功率和負(fù)載的情況下將電源電壓減半。

集電極-發(fā)射極電壓

那么集電極-發(fā)射極電壓又如何呢？在基本的 D 類配置中，集電極-發(fā)射極電流等于V CC，即 70.2 V。但是，圖 5 中的波形顯示 TCVS 電路中的集電極-發(fā)射極電壓是電源電壓 (2 V CC ) 的兩倍。因此，雖然我們可以在 TCVS 設(shè)計(jì)中使用V CC = 35.1 V的電源電壓，但晶體管應(yīng)承受的集電極-發(fā)射極電壓為 70.2 V — 與基本 D 類設(shè)計(jì)相同。

固定電源的開關(guān)電流和輸出功率

，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放大器的開關(guān)電流和輸出功率有何變化？

從首先介紹該配置的文章中，我們知道基本 D 類放大器的開關(guān)電流為：

$$I_{max} ~=~ \frac{2V_{CC}}{\pi R_L}$$

等式 11.

如果我們將其與 TCVS 放大器的開關(guān)電流（公式 9）進(jìn)行比較，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于給定的電源電壓（假設(shè)n / m = 1），TCVS 電路所需的電流是基本 D 類放大器的兩倍。同時(shí)，基本 D 類放大器的輸出功率為：

$$P_{L} ~=~ \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2 R_L}$$

等式 12.

公式 4 和公式 12 表明，對(duì)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?cè)俅渭僭O(shè)n / m = 1。

但是如果n / m不等于 1 會(huì)怎樣？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)示例將說明的那樣，此參數(shù)可用于權(quán)衡電源電壓和開關(guān)電流。

示例 2：了解輸出變壓器的作用

假設(shè) TCVS 放大器要為 50 Ω 負(fù)載提供 20 W 功率，如上例所示。然而，匝數(shù)比現(xiàn)在為n / m = 2。所需的電源電壓和開關(guān)電流是多少？

將上述值代入公式 4，我們得到：

$$P_{L} ~=~ \frac{8}{\pi^2} (\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}^2}{R_L} ~~\rightarrow ~~20 ~=~ \frac{8}{\pi^2} ~\times~ 2^2 ~\times~ \frac{V_{CC}^2}{50}$$

等式 13.

求解V CC可得出：

$$V_{CC}~=~\sqrt{\frac{1000}{32} \pi^2}~=~17.56$$

等式 14.

電源電壓為V CC = 17.56 V，是上例中所得值的一半。開關(guān)電流為：

$$I_{max} ~=~ \frac{4}{\pi}(\frac{n}{m})^2 \frac{V_{CC}}{R_L} ~~\rightarrow~~ I_{max} ~=~ \frac{4}{\pi} ~\times~ 2^2~ \times~ \frac{17.56}{50}~=~1.79$$

等式 15.

Imax = 1.79A，是之前值的兩倍。簡而言之，匝數(shù)比加倍可將所需電源電壓降低兩倍，并將電流增加相同倍數(shù)。