為了使 D 類(lèi)放大器提供高效率，它需要相對(duì)于工作頻率相當(dāng)快的開(kāi)關(guān)。隨著我們轉(zhuǎn)向越來(lái)越高的頻率，這變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。在 D 類(lèi) RF 放大器中，開(kāi)關(guān)間隔可能占據(jù)工作周期的相當(dāng)大一部分。寄生電容的損耗也隨著頻率的增加而增加，這帶來(lái)了另一個(gè)問(wèn)題。
　　E 類(lèi)功率放大器有效地克服了這些挑戰(zhàn)。與 D 類(lèi)放大器一樣，這些是開(kāi)關(guān)模式放大器。然而，它們的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，可最大限度地降低開(kāi)關(guān)損耗，并將能量從分流（晶體管輸出）電容引導(dǎo)至負(fù)載。在本文中，我們將討論 E 類(lèi)放大器的設(shè)計(jì)如何避免 D 類(lèi)放大器在高頻下工作的缺陷。
　　D 類(lèi)和 E 類(lèi)電路的對(duì)比
　　考慮圖 1 所示的互補(bǔ)電壓開(kāi)關(guān) D 類(lèi)放大器。　　由 Cp 建模的節(jié)點(diǎn) A 寄生電容的互補(bǔ)電壓開(kāi)關(guān)配置。

　　圖 1.由 C 建模的節(jié)點(diǎn) A 寄生電容的互補(bǔ)電壓開(kāi)關(guān)配置 p.
　　在上圖中，Cp對(duì)晶體管的寄生輸出電容進(jìn)行建模。晶體管在交替的半周期上導(dǎo)通和關(guān)斷，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn) A 的電壓在V抄送和地面。每當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，充電和放電Cp導(dǎo)致一些能量在開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻中以熱量的形式消散。
　　例如，對(duì)于V抄送對(duì)地，晶體管 Q2打開(kāi)并釋放最初儲(chǔ)存在Cp.這會(huì)在 Q 的導(dǎo)通電阻中耗散一些能量2.因充放電而損失的總功率Cp是：
　　$$P_{耗散} ~=~ C_{p} V_{CC}^2 f$$
　　方程 1.
　　其中 f 是放大器的開(kāi)關(guān)頻率。
　　D 類(lèi)放大器的操作涉及充電和放電Cp，但存儲(chǔ)在電容中的能量不會(huì)傳遞到負(fù)載。事實(shí)上，Cp完全不會(huì)影響輸出 RF 功率 — 它從電源獲取的功率會(huì)因熱量而損失。
　　相比之下，圖 2 顯示了最簡(jiǎn)單的 E 類(lèi)放大器的電路原理圖。　　低階 E 類(lèi)放大器原理圖

　　圖 2.低階 E 類(lèi)放大器原理圖
　　該電路中的晶體管被驅(qū)動(dòng)以充當(dāng)開(kāi)關(guān)。射頻扼流圈 （L1） 提供到電源的直流路徑，并在 RF 處近似開(kāi)路。L0和 C0形成一個(gè)串聯(lián)調(diào)諧電路，將負(fù)載連接到晶體管的集電極。
　　在晶體管和 C 之間0是分流電容 （Csh).并聯(lián)電容包括在輸出端添加的電容器和器件輸出寄生電容。與 D 類(lèi)放大器不同，該電容中存儲(chǔ)的能量不會(huì)以熱量的形式消散，而是被引導(dǎo)到負(fù)載上。
　　正如我們將在本文后面看到的那樣，Csh在 E 類(lèi)放大器的運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用。然而，在我們開(kāi)始之前，我們需要了解有限開(kāi)關(guān)速度的問(wèn)題。只有這樣，我們才能準(zhǔn)備好討論 E 類(lèi)功率放大器如何處理該問(wèn)題。
　　緩慢上升和下降時(shí)間對(duì)開(kāi)關(guān)模式操作的影響　　當(dāng)開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)理想時(shí)，它們近似于具有尖銳邊緣的矩形波形。為了更準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，我們應(yīng)該假設(shè)開(kāi)關(guān)電流和電壓波形是梯形的，而不是矩形的。如圖 3 所示。

　　實(shí)際開(kāi)關(guān)的電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形表現(xiàn)出非零轉(zhuǎn)換間隔。
　　圖 3.實(shí)際開(kāi)關(guān)的電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形表現(xiàn)出非零轉(zhuǎn)換間隔。
　　要理解圖 3 中的波形，請(qǐng)回顧開(kāi)關(guān)模式功率放大器背后的基本思想，即將晶體管作為開(kāi)關(guān)而不是電流源運(yùn)行，可以提高效率。理想的開(kāi)關(guān)不會(huì)耗散功率，因?yàn)槠潆妷汉碗娏鞯某朔e始終為零。開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，它沒(méi)有電壓降;當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，它沒(méi)有電流。由于晶體管不耗散功率，因此開(kāi)關(guān)模式功率放大器的理論效率可以接近 100%。
　　然而，在實(shí)踐中，晶體管不會(huì)立即改變狀態(tài)。在開(kāi)關(guān)間隔期間，開(kāi)關(guān)兩端的電壓和通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流都相當(dāng)可觀(guān)。對(duì)于非零 IV 產(chǎn)物，功率耗散在晶體管中，從而降低了放大器的效率。
　　E 類(lèi)放大器通過(guò)戰(zhàn)略性地將電壓和電流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換相互時(shí)間置換來(lái)防止這種情況。理想情況下，這會(huì)導(dǎo)致晶體管中的功率耗散為零，即使開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換占 RF 周期的很大一部分。時(shí)序偏移是通過(guò)精心設(shè)計(jì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，包括器件輸出端的分流電容 （Csh在圖 2 中）。在接下來(lái)的部分中，我們將研究這種設(shè)計(jì)如何消除關(guān)斷和導(dǎo)通轉(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)損耗。
　　消除開(kāi)關(guān)關(guān)斷損耗
　　具有純電阻負(fù)載的電路將具有圖 3 所示的開(kāi)關(guān)電壓和電流波形，其中開(kāi)關(guān)電流的變化轉(zhuǎn)化為開(kāi)關(guān)電壓的瞬時(shí)成比例變化。但是，如果我們?cè)谪?fù)載網(wǎng)絡(luò)中增加一個(gè)并聯(lián)電容器，我們可以預(yù)期開(kāi)關(guān)電壓和電流波形的邊緣之間會(huì)有一些延遲。這是因?yàn)殡娙萜鲀啥说碾妷鹤兓?（ΔVc） 與電容成反比，如公式 2 所示：
　　$$\Delta V_c ~=~ \frac{I\Delta t }{C}$$
　　方程 2.　　對(duì)于給定的電流 （I），額外的電容 （C） 會(huì)降低 ΔVc在給定的時(shí)間間隔 （Δt） 上。因此，我們可以通過(guò)選擇足夠大的分流電容器來(lái)產(chǎn)生所需的 timing offset。

　　圖 4 顯示了添加時(shí)間延遲如何影響圖 3 中的波形。
　　將集電極電壓的上升延遲到開(kāi)關(guān)電流降至零之后產(chǎn)生的波形。
　　圖 4.將集電極電壓的上升延遲到開(kāi)關(guān)電流降至零之后產(chǎn)生的波形。
　　在圖 4 中，電壓和電流波形的非零部分在開(kāi)關(guān)的 ON-to-OFF 轉(zhuǎn)換期間不會(huì)重疊（T1和 T3intervals） 的 Span。因此，在關(guān)斷轉(zhuǎn)換期間，IV = 0，導(dǎo)致零功率損耗。但是，T 周?chē)闹丿B2interval — OFF-to-ON 轉(zhuǎn)換 — 實(shí)際上會(huì)增加。
　　很明顯，僅僅引入 delay 不足以消除兩組 transitions期間的 switching loss。為了了解 E 類(lèi)放大器如何消除 OFF 到 ON 轉(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)功率損耗，我們需要檢查開(kāi)關(guān)處于 OFF 狀態(tài)時(shí)的電路。　　消除開(kāi)關(guān)導(dǎo)通損耗

　　圖 5 顯示了開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) E 類(lèi)放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
　　開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) E 類(lèi)放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
　　圖 5.開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí) E 類(lèi)放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。
　　開(kāi)關(guān)關(guān)閉后，E 類(lèi)放大器的負(fù)載網(wǎng)絡(luò)作為阻尼二階系統(tǒng)運(yùn)行，一些初始能量存儲(chǔ)在其電感 （L0） 和電容器 （C0和Csh).雖然在這半個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有對(duì)負(fù)載網(wǎng)絡(luò)施加輸入，但存儲(chǔ)在系統(tǒng)中的初始能量會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)最終會(huì)消失，因?yàn)镽L耗散能量。
　　為了深入了解負(fù)載網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，我們來(lái)使用圖 6 中的 LTspice 原理圖。請(qǐng)注意，該電路的初始條件和元件值都是任意選擇的。　　用于檢查具有某些初始條件的串聯(lián) RLC 電路響應(yīng)的 LTspice 原理圖。

　　圖 6.用于檢查具有某些初始條件的串聯(lián) RLC 電路響應(yīng)的 LTspice 原理圖。
　　從我們的電路理論課程中，我們知道元件的值可以導(dǎo)致三種不同類(lèi)型的瞬態(tài)響應(yīng)：
　　過(guò)阻尼。
　　嚴(yán)重阻尼。
　　欠阻尼。
　　圖 7 顯示了電容器兩端電壓 （C1），對(duì)于三個(gè)不同的RL，使我們能夠檢查阻尼的所有三個(gè)級(jí)別。　　串聯(lián) RLC 電路對(duì) R_L 的響應(yīng) = 10、20 和 30 歐姆。

　　圖 7.串聯(lián) RLC 電路對(duì) R 的響應(yīng) L= 10 Ω、20 Ω 和 30 Ω。　　盡管響應(yīng)的形狀取決于分量值，但RL確保最終電容器電壓為零。如果功率放大器中開(kāi)關(guān)的 OFF 半周期足夠長(zhǎng)，那么當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電容器電壓實(shí)際上會(huì)降低到 0 V。與圖 4 所示的假設(shè)情況不同，這會(huì)自動(dòng)消除 OFF 到 ON 轉(zhuǎn)換期間開(kāi)關(guān)電流和電壓波形之間的重疊。

　　圖 8 顯示了 E 類(lèi)放大器的典型 （雖然不是理想） 開(kāi)關(guān)波形。
　　E 類(lèi)放大器的典型開(kāi)關(guān)電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形。
　　圖 8.E 類(lèi)放大器的典型開(kāi)關(guān)電流 （頂部） 和電壓 （底部） 波形。