了解磁耦合射頻變壓器的非理想性
出處：維庫電子市場網(wǎng) 發(fā)布于：2024-01-25 17:02:22
變壓器在射頻設(shè)計中執(zhí)行許多有用的功能，包括：
阻抗匹配。
電路兩部分之間的隔離。
平衡和不平衡信號環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換。
實現(xiàn)射頻變壓器的方法有多種。簡單的方法是使用一對磁耦合線圈。為了幫助增加線圈之間的耦合，這種變壓器通常還包括磁芯。
圖 1.變壓器耦合推挽放大器使用兩個變壓器來產(chǎn)生輸入和輸出信號。圖片由 Steve Arar 提供
為了理解上述電路的局限性，我們需要了解實際變壓器的非理想性。本文探討了磁耦合磁芯變壓器在高頻下表現(xiàn)出的主要非理想性。我們將首先概述該變壓器的理想版本。
理想的磁耦合變壓器
理想的變壓器在初級線圈和次級線圈之間提供完美的磁耦合，并且沒有能量損失。圖 2 顯示了理想 1: n變壓器的原理圖符號。注意極性點——它們標(biāo)識哪些端子是同相的。
變壓器點約定指定每個線圈相對于另一個線圈繞磁芯纏繞的方向。在圖2中，根據(jù)點約定，流入初級線圈的點端的電流將從次級線圈的點端流出。
根據(jù)圖中所示的電壓極性和電流方向，理想變壓器的兩個定義方程為：
在哪里：
i 1是初級電流。
i 2是次級電流。
v 1是初級電壓。
v 2是次級電壓。
等式 2 中的負(fù)號是由我們將i 2繪制為圖 2 中變壓器的點狀次級端子的輸入得出的。如果我們將i 2繪制為退出點端子，則符號將為正。
不完美的磁力耦合
實際上，一個線圈產(chǎn)生的磁通量只有一部分耦合到另一個線圈。初級和次級繞組之間的耦合程度用互感（M）來表征，如圖3所示。
線圈之間的磁耦合取決于以下因素：
線圈之間的間隔。
線圈的方向。
每個線圈的匝數(shù)。
磁芯的磁性。
對于上述電路，初級和次級電壓可以用以下相量方程表示：
在哪里：
L 1是初級線圈單獨的電感，次級開路。
L 2是次級線圈的自感。
M是互感，并且必須是正值。
根據(jù)點慣例，如果電流被發(fā)送到耦合電感器的點端子中，則鏈接線圈的磁通量增強(qiáng)線圈的自磁通。這就是為什么在等式 3 和 4 中將互感項添加到自感項中。相反，如果一個線圈電流進(jìn)入線圈的有點端，而另一個線圈電流進(jìn)入線圈的無點端，則我們減去自感項中的互感項。
磁耦合程度也可以通過耦合系數(shù)參數(shù)（k）來指定，定義為：
M的值為 \(\sqrt{L_{1} L_{2}} \)。由于M必須為正值，這意味著k的值為 0，值為 1。當(dāng)k = 0 時，不存在耦合。
√ L 1 L 2 大多數(shù)電力系統(tǒng)變壓器的k接近 1。由于大多數(shù)集成電路工藝中沒有可用的磁性材料，因此射頻集成電路電感器的總體耦合系數(shù)通常為 0.8 至 0.9。
阻抗匹配。
電路兩部分之間的隔離。
平衡和不平衡信號環(huán)境之間的轉(zhuǎn)換。
實現(xiàn)射頻變壓器的方法有多種。簡單的方法是使用一對磁耦合線圈。為了幫助增加線圈之間的耦合，這種變壓器通常還包括磁芯。
圖 1 顯示了輸入和輸出處帶有變壓器的推挽式射頻功率放大器。
圖 1.變壓器耦合推挽放大器使用兩個變壓器來產(chǎn)生輸入和輸出信號。圖片由 Steve Arar 提供
為了理解上述電路的局限性，我們需要了解實際變壓器的非理想性。本文探討了磁耦合磁芯變壓器在高頻下表現(xiàn)出的主要非理想性。我們將首先概述該變壓器的理想版本。
理想的磁耦合變壓器
理想的變壓器在初級線圈和次級線圈之間提供完美的磁耦合，并且沒有能量損失。圖 2 顯示了理想 1: n變壓器的原理圖符號。注意極性點——它們標(biāo)識哪些端子是同相的。
變壓器原理圖符號。
變壓器點約定指定每個線圈相對于另一個線圈繞磁芯纏繞的方向。在圖2中，根據(jù)點約定，流入初級線圈的點端的電流將從次級線圈的點端流出。
根據(jù)圖中所示的電壓極性和電流方向，理想變壓器的兩個定義方程為：
v2 = nv1
等式 1。
i2 = ?i1n
等式2。
等式2。在哪里：
i 1是初級電流。
i 2是次級電流。
v 1是初級電壓。
v 2是次級電壓。
等式 2 中的負(fù)號是由我們將i 2繪制為圖 2 中變壓器的點狀次級端子的輸入得出的。如果我們將i 2繪制為退出點端子，則符號將為正。
不完美的磁力耦合
實際上，一個線圈產(chǎn)生的磁通量只有一部分耦合到另一個線圈。初級和次級繞組之間的耦合程度用互感（M）來表征，如圖3所示。
由兩個具有互感的電感器組成的理想變壓器。
線圈之間的磁耦合取決于以下因素：
線圈之間的間隔。
線圈的方向。
每個線圈的匝數(shù)。
磁芯的磁性。
對于上述電路，初級和次級電壓可以用以下相量方程表示：
V 1 = j ω L 1 I 1 + j ω M I 2
等式 3。
V 2 = j ω L 2 I 2 + j ω M I 1
等式 4。
在哪里：
L 1是初級線圈單獨的電感，次級開路。
L 2是次級線圈的自感。
M是互感，并且必須是正值。
根據(jù)點慣例，如果電流被發(fā)送到耦合電感器的點端子中，則鏈接線圈的磁通量增強(qiáng)線圈的自磁通。這就是為什么在等式 3 和 4 中將互感項添加到自感項中。相反，如果一個線圈電流進(jìn)入線圈的有點端，而另一個線圈電流進(jìn)入線圈的無點端，則我們減去自感項中的互感項。
磁耦合程度也可以通過耦合系數(shù)參數(shù)（k）來指定，定義為：
k = M √ L 1 L 2
等式 5。
等式 5。M的值為 \(\sqrt{L_{1} L_{2}} \)。由于M必須為正值，這意味著k的值為 0，值為 1。當(dāng)k = 0 時，不存在耦合。
√ L 1 L 2 大多數(shù)電力系統(tǒng)變壓器的k接近 1。由于大多數(shù)集成電路工藝中沒有可用的磁性材料，因此射頻集成電路電感器的總體耦合系數(shù)通常為 0.8 至 0.9。
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