rf power amplifier tutorial (2) class a, b and c

Tomomi Research Inc.

RF Power Amplifier TutorialClass A, B and C

2016/08/05 (Fri)Seong-Hun Choe


Basic circuit of single-ended Class A, B and C amplifier

05/01/2023

Junction FET

GateDrain

Source


nFET の　Vgs と Id との関係

05/01/2023

Id

Vgs

Id [mA]

Vgs [V]0

Pinch off voltage 　or Threshold voltage Vt

①Vgs が大きな負の値： JFET にピンチオフが発生し、チャンネルを通して電流が流れない。②Vgs の負の電圧が小さくなると、チャンネルを通して電流 (Id) が流れる。③Vgs の負の電圧が更に小さくなると、チャンネルが広がり、電流 (Id) が増加する。④ Vgs の電圧が十分大きくなると、チャンネルが広がり、電流 (Id) が増えない。 Gate に漏れ出す。

① ②

③

④


nFET の　Id と Vds との関係

05/01/2023

IdVds

ドレイン - ソース電圧 Vds がある一定値以上に増えると、ドレイン電流 Id の値がほとんど変わらず一定になっている。　 Vds が変化しても、電流値 Id がほとんど変わらない電流源として動作し、「飽和領域」と呼ぶ。通常は、この「飽和領域」を使う。


N-channel MOSFET

05/01/2023

http://www-inst.eecs.berkeley.edu/~ee40/fa09/lectures/Lec_19.pdf

• Gate Voltage が印加されなかった場合、　 Source と Drain の間には電流が流れない。• Vgs (Gate-Source 電圧 ) がある値を超えた場合、電子の層が形成され、 Source と Drain の間に電流が流れる。• その Vgs を Threshold Voltage （しきい値電圧 Vt) と呼ぶ。


線形領域： MOSFET as a Controlled Resistor 1/2

線形領域：抵抗素子のように動作する MOSFET

05/01/2023

Vds

Id

Vds [V]

Id [mA]

Id = 0 if Vgs < Vt

Vgs = 1V >Vt

Vgs = 2V >Vt傾き =Id/Vds抵抗のように（逆数なのでコンダクタンスという）


線形領域： MOSFET as a Controlled Resistor 2/2

線形領域：抵抗素子のように動作する MOSFET

05/01/2023

Vds

Id

Vds [V]

Id [mA]

Id = 0 if Vgs < Vt

Vgs = 1V >Vt

Vgs = 2V >Vt傾き =Id/Vds抵抗のように（逆数なのでコンダクタンスという）


飽和領域

05/01/2023

Vds

Id

Vgs

• Vds が増加するすると、チャンネルも大きくなる。しかし、 Drain 側のチャンネルは小さくなる。従って、 Id の増加は、 Vds に増加より遅くなる。• Vds が (Vgs-Vt) に達した時、 (Vds = Vgs – Vt)　　チャンネルはドレイン側でくびれ切られ (Pinched off), 　 Id は飽和する。　 = Vds が増加しても Ids は変わらない。

* 要は、 Ids は　 Vds と関係なくなる。


N-MOSFET: Id – Vds 特性

05/01/2023

Vds

Id

Vgs

Pinched off



05/01/2023

Vds

Id

Vgs



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Load line( 負荷線 ) の引き方

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Common-Source Amplifier

Rd*Id Vdd = Rd*Id + Vds

Id = 1/Rd(Vdd – Vds)



05/01/2023


Vds [V]

Id [mA]

Y 軸切片 :Vdd /Rd

傾き =-1/Rd

トランジスタの Id-Vds 曲線

重ねる

X 軸切片 :Vdd ( 電源電圧 )



05/01/2023


Vds = Vout に注目


中間まとめ : FET の動作

05/01/2023

Vds

Id

Vgs

Step 1: Vgs でトランジスタの Drain 電流 Id を制御 Step 2: Vds と Id の関係



05/01/2023

Vds

Id

Vgs

Step 3: 　負荷線によって、動作点が決まる。　　　　　 Vds （ Output 電圧）と Ids （電流 )が決まる。Step 2: Vds と Id の関係



05/01/2023

VdsVgs

Vgs : input Vds : output


中間まとめ : FET の動作 ( 交流の入力の場合 )

05/01/2023

RL （負荷）の位置に注意。 Vgs①Vgs①

Vgs②Vgs②

Vgs③Vgs③

Vgs < Vt 以下はトランジスタが動かないから出力されない。この絵だと、ここが Vinの Bias


少し前戻し

05/01/2023

電圧の増幅率


Tank Circuit の働き (1)

タンク回路の共振周波数と同じ周波数の交流信号の一部をタンク回路に入力すると、タンク回路からは交流信号が全周期で再生されて出力される。

05/01/2023


Tank Circuit の働き (2)

タンク回路の共振周波数と同じ周波数の交流信号の一部をタンク回路に入力すると、タンク回路からは交流信号が全周期で再生されて出力される。

05/01/2023


Class A, B and C

FET 入力可能電圧幅と出力可能電圧幅

05/01/2023

-V_HI-V_LI +V_HO+V_LO

(1) –V_LI : ゲート電圧 -Vg で制限される入力信号の電圧下限(2) -V_HI : FET の特性で制限される入力電圧の上限

(1) –V_LO : Source 電圧 Vg で制限される出力電圧の下限 V_sat(2) -V_HO : 電源電圧 Vd で制限される

Vd_sat


Class A, B and C

FET 入力可能電圧幅と出力可能電圧幅

05/01/2023

(1) –V_LI : ゲート電圧 -Vg で制限される入力信号の電圧下限(2) -V_HI : FET の特性で制限される入力電圧の上限

(1) –V_LO : Source 電圧 Vg で制限される出力電圧の下限 V_sat(2) -V_HO : 電源電圧 Vd で制限される


Class A

05/01/2023

Class A : -V_LI と -V_HI の真ん中

-V_HI-V_LI

入力動作点

出力動作点


Class B

05/01/2023

Class B : -V_LI

-V_HI-V_LI

入力動作点

出力動作点


Class A-B :

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Class AB : -V_LI と　 1/2(-V_LI+ -V_HI)

-V_HI-V_LI

入力動作点

出力動作点


Class C :

05/01/2023

Class C : -V_LI 以下-V_HI-V_LI

入力動作点

出力動作点

絵が逆（注意 )点線 ⇔実線


Conduction Angle

05/01/2023

1 周期 ( ) の信号が流れるとき、 FET が Active の状態である時間ここでは、 Drain 出力を見ればわかりやすい。Class A ( ) Class B ( )

Class AB ( ) Class C 　 ( )

絵が逆（注意 )点線 ⇔実線


Conduction Angle

05/01/2023

1 周期 ( ) の信号が流れるとき、 FET が Active の状態である時間ここでは、 Drain 出力を見ればわかりやすい。アンプの効率と直結


まとめ

05/01/2023

ClassMax

efficiency (%)

Power capability Mode Transistor

operation 用途 Pros. Cons.

Class A 50 0.125 Linear Always conducting

微弱な信号の増幅

線形性が良い。歪が一番少ない。

効率が悪い

Class B 78.5 0.125 Linear On half cycle Class A より効率が良い

Class A より線形性が悪

い。

Class AB 50~78.5 0.125 Linear Mid conduction

要は Class Aと B の間

Class B の線形性を改善

Class C 86 0.11 Nonlinear On half cycle

大きなDriving

power が必要

High Powerが出せる。(1kW 出すために 300Wが必要）

高調波の発生


Appendix Push-pull : Class B

05/01/2023

概略図FET の絵がなかったので、 BJC で表記。なぜか、 Class B – Push pull は Biopolar Junction Transistor が多い。

特徴入力と出力にトランスが存在( センタータンプ変圧器 )

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