Klasse E versterkers

Hoogfrequent versterkers
met 1 vermogentransistor

Jan Genoe

Oktober 2025

Basisschema Klasse E versterker

Voor de praktisch implementatie mag de volgorde van C₂ en L₂ omwisseld worden. Dit heeft geen enkele invloed op de werking van de seriekring.

Klasse E versterker

De klasse E versterker is een zeer efficiënte hoogfrequent versterker die gebruik maakt van:

• Eén enkele vermogentransistor als schakelend element
• Resonante LRC trilkring voor frequentieselectie
• Optimale timing tussen spanning en stroom voor minimaal vermogenverlies
• Hoge efficiëntie (tot 95% theoretisch mogelijk)

Resonante seriekring van de klasse E versterker

Stroom in resonante seriekring

Voeding met DC stroom door L1

Voeding met DC stroom door L1

Integratie stroom op C1

Integratie stroom op C1

Integratie stroom op C1

Transistor om de spanning op 0 te houden

Spanning na integratie stroom op C1

Klasse E met derde harmonische filter

Voorbeeld 1 : Opgave

• Verwacht vermogen : 5W
• Frequentie : 475 kHz
• Voedingsspanning : 12.5 V
• Kwaliteitsfactor : 5
• Saturatiespanning 0.5V

Voorbeeld1 : berekende elementen

RL = 14.88 Ohm
C₁ = 4.78 nF (i.e. complexe impedantie van -70.07 i Ohm)
C₂ = 6.04 nF (i.e. complexe impedantie van -55.50 i Ohm)
L₂ = 24.93 uH (i.e. complexe impedantie van 74.39 i Ohm)
Totale complexe impedantie (seriekring):  18.89 i Ohm
Maximale stroom uit de voeding: 416.67 mA
Maximale source-drain spanning (transistor): 55.62 V
Hierbij werd een 80% veiligheidsmarge genomen
We kunnen de uitgang omwerken naar een impedantie van 50 Ohm
door een transformator met wikkelverhouding: 1.83 

Voorbeeld 1: Bekomen schema

Voorbeeld1 : Spice file

* Class E amp 1
M_M1         2 1 0 0 FDB33N25 
L_L1         2 3  1000uH  
C_C1         2 0  4.78nF  
L_L2         4 5  24.93uH  
C_C2         2 4  6.04nF  
R_RL         5 0  14.88 
V_Vdd        3 0 12.5V
V_Vin        1 0 PULSE(0 9 1.05u 20n 20n 1.05u 2.10526u) DC=0
.model FDB33N25 VDMOS(Rg=3 Rd=40m Rs=27m Vto=5.35 Kp=35 lambda=.05 Cgdmax=1.1n Cgdmin=25p Cgs=1.7n Cjo=800p Is=7.94p Rb=7m mfg=Fairchild Vds=250 Ron=94m Qg=37n)

Voorbeeld 1: Verloop spanningen (opstarten oscillatie)

Voorbeeld 1: detail van de opstart

Voorbeeld 1: detail 1 periode

Voorbeeld 1: Schema met aanpassing 50 Ohm coax

Voorbeeld 2 : Opgave

• Verwacht vermogen : 50W
• Frequentie : 137.77 kHz
• Voedingsspanning : 12.5 V
• Kwaliteitsfactor : 5
• Saturatiespanning 0.9V

Voorbeeld 2: waardes componenten

RL = 1.39 Ohm
C₁ = 176.90 nF (i.e. complexe impedantie van -6.53 i Ohm)
C₂ = 222.56 nF (i.e. complexe impedantie van -5.19 i Ohm)
L₂ = 8.03 uH (i.e. complexe impedantie van 6.95 i Ohm)
Totale complexe impedantie (seriekring):  1.76 i Ohm
Maximale stroom uit de voeding: 4310.34 mA
Maximale source-drain spanning (transistor): 55.62 V
Hierbij werd een 80% veiligheidsmarge genomen
We kunnen de uitgang omwerken naar een impedantie van 50 Ohm
door een transformator met wikkelverhouding: 6.00 

Voorbeeld 2: Bekomen schema

Voorbeeld 2: aanpassing 50 Ohm

Voorbeeld 2: SPICE file

* Class E amp 1
M_M1         2 1 0 0 FDB33N25 
L_L1         2 3  270uH  
C_C1         2 0  176.9nF  
L_L2         4 5  8.03uH  
C_C2         2 4  222.56nF  
R_RL         5 0  1.39 
V_Vdd        3 0 12.5V
V_Vin        1 0 PULSE(0 9 3.65u 20n 20n 3.65u 7.3u) DC=0
.model FDB33N25 VDMOS(Rg=3 Rd=40m Rs=27m Vto=5.35 Kp=35 lambda=.05 Cgdmax=1.1n Cgdmin=25p Cgs=1.7n Cjo=800p Is=7.94p Rb=7m mfg=Fairchild Vds=250 Ron=94m Qg=37n)

Voorbeeld 2: bekomen oscillatie

Voorbeeld 2: detail opstartsequentie

Voorbeeld 2: 1 periode van de Steady State

Voorbeeld 3: Klasse E met injection locking

Voorbeeld 3: SPICE file Klasse E circuit met injection locking

* Class E Tsai
M_SWn        0 11 10 0 nmos W=31580u L=0.35u
M_SWp        3 11 10 3 pmos W=500u L=0.35u
* stage 1
L_L1         3 6  0.37nH
L_L2         3 7  0.37nH
M_11         10 1 6 0 nmos W=980u L=0.35u
M_12         10 7 6 0 nmos W=980u L=0.35u
M_13         10 6 7 0 nmos W=980u L=0.35u
M_14         10 2 7 0 nmos W=980u L=0.35u
* stage 2
M_21         10 6 8 0 nmos W=3600u L=0.35u
M_22         10 9 8 0 nmos W=4800u L=0.35u
M_23         10 8 9 0 nmos W=4800u L=0.35u
M_24         10 7 9 0 nmos W=3600u L=0.35u
L_L3         3 8  0.37nH
L_L4         3 9  0.37nH
L_L5         8 4  0.8nH 
L_L6         9 5  0.8nH 
C_C1         4 5  5.1pF
* belasting
R_RL1        4 0  50 
R_RL2        5 0  50 
.include simul/berkeley35.lib

Voorbeeld 3: simulatie Klasse E circuit met injection locking

Voorbeeld 3: 1 periode M21

Voorbeeld 3: 1 periode M22

Belangrijkste Eigenschappen van Klasse E Versterkers

De klasse E versterker biedt verschillende belangrijke voordelen:

• Efficiëntie:
  • Theoretisch tot 100% efficiëntie mogelijk
  • Praktisch 85-95% haalbaar
  • Ideaal voor batterij-gevoede toepassingen
• Frequentiebereik:
  • Optimaal voor hoogfrequent toepassingen (MHz-GHz)
  • Beperkte bandbreedte rond resonantiefrequentie
  • Geschikt voor narrowband communicatie
• Implementatie:
  • Eenvoudige topologie met één transistor
  • Kritische timing tussen spanning en stroom
  • Nauwkeurige componentwaarden vereist

Toepassingsgebieden

• Moderne Communicatiesystemen:
  • GSM/UMTS/LTE zendversterkers
  • WiFi en Bluetooth transmitters
  • RFID en NFC systemen
  • Satellietcommunicatie
• Vooruitblik:
  • 5G millimeter-golf toepassingen
  • IoT low-power transmitters
  • Draadloze energieoverdracht
  • Geïntegreerde on-chip oplossingen

I would rather have questions that can't be answered
than answers that can't be questioned.

Richard Feynman