B類(lèi)功率放大器介紹

B類(lèi)功率放大器是如何工作的？是什么讓它比A類(lèi)功率放大器更高效？在這篇文章中了解答案。

高效射頻功率放大器（PA）在許多應用中都至關(guān)重要，從手持通信設備到大型有源元件相控陣天線(xiàn)。例如，在上述手持設備中，更高的效率意味著(zhù)更低的功耗，從而可以延長(cháng)通話(huà)時(shí)間。

我們在之前的文章中了解到，電感性負載的A類(lèi)放大器提供的最大可獲得效率僅為50%。本文介紹了B類(lèi)功率放大器，其理論最大效率為78.5%。在討論了B類(lèi)放大器的基本特性后，我們將探討效率差異的原因。

請注意，本文中使用的分析表達式是近似的，因為它們涉及大信號和強非線(xiàn)性，功率放大器級難以分析。然而，這些數字仍然有助于我們很好地理解電路的行為。

B類(lèi)功率放大器特性

在B類(lèi)放大器中，晶體管被偏置到剛好低于其導通點(diǎn)。當沒(méi)有完全導通時(shí)，晶體管被輸入信號的正半周期驅動(dòng)導通。對于信號的另一半周期，當輸入信號為負時(shí)，晶體管保持截止狀態(tài)。如圖1所示。

晶體管作為B類(lèi)功率放大器工作的示意圖。

圖1. 晶體管作為B類(lèi)功率放大器的操作。圖片由Steve Arar提供

對于雙極型晶體管，我們需要將基極-發(fā)射極結偏置在大約0.7 V。對于FET器件，柵極-源極偏置在夾斷狀態(tài)。這些偏置點(diǎn)允許輸入的正半周期驅動(dòng)晶體管導通。

傳導角度

我們將使用傳導角的概念來(lái)幫助我們描述功率放大器晶體管的工作。傳導角是晶體管導通的一個(gè)輸入周期的分數，以角度或弧度表示。例如，在A(yíng)類(lèi)放大器中，晶體管始終處于導通狀態(tài)，因此傳導角為360度。在B類(lèi)放大器中，晶體管僅在信號周期的一半時(shí)間導通，因此傳導角為180度。

180度的精確導通角是一個(gè)數學(xué)概念，在實(shí)際應用中，B類(lèi)放大器的導通角可能與這個(gè)理論值略有不同。然而，導通角的概念仍然是分類(lèi)不同類(lèi)型功率放大器的一種有用方法。在本文的后面，我們將討論如何將導通角從360度減小到180度，從而使B類(lèi)放大器級實(shí)現比A類(lèi)設計更高的效率。

典型波形

由于B級晶體管的間歇導通，流經(jīng)晶體管的電流不是輸入信號的忠實(shí)再現（見(jiàn)圖1）。作為半波整流正弦波，輸出電流包含所施加信號的不同諧波。

如果我們讓這種失真的電流通過(guò)電阻負載，輸出電壓也會(huì )富含不同的諧波。然而，我們通常在輸出端有一個(gè)帶通或低通濾波器，可以充分抑制高次諧波分量。圖2顯示了一個(gè)單晶體管B類(lèi)放大器。

單晶體管B類(lèi)放大器的電路圖。

圖2:一個(gè)帶有單個(gè)晶體管的B類(lèi)放大器示例。圖片由Steve Arar提供

RF扼流圈允許直流電流通過(guò)，但對RF信號而言，則相當于開(kāi)路。輸入RF扼流圈設定基極-發(fā)射極電壓的靜態(tài)值；集電極處的RF扼流圈提供晶體管的直流電流。負載是一個(gè)交流耦合電阻器（RL），在基頻處有一個(gè)高Q諧振電路。

通過(guò)縮短諧波分量，高Q諧振儲能電路使輸出電壓在基頻處呈正弦波。圖3顯示了接近理想A、B和C類(lèi)放大器的晶體管電流和輸出電壓波形。

近理想A、B和C類(lèi)放大器的電流和電壓波形。

圖3. A、B和C類(lèi)放大器的電流（a）和電壓（b）波形。圖片由George Vendelin提供

我們可以假設諧振并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò )在輸出端提供了一些諧波濾波。然而，由于晶體管的間歇導通，在B類(lèi)和C類(lèi)級中仍可觀(guān)察到一些諧波失真。A類(lèi)級的輸出電壓和電流波形幾乎未失真。

計算B類(lèi)放大器的效率

現在我們已經(jīng)很好地了解了B類(lèi)放大器的工作原理，讓我們計算一下單晶體管B類(lèi)放大器的效率。假設晶體管電流是幅度為Ip、周期為T(mén)的半波整流正弦波，如圖4所示。

單晶體管B類(lèi)放大器的輸出電流波形。

圖4. B類(lèi)放大器晶體管的輸出電流。圖片由Steve Arar提供

使用傅里葉級數表示法，我們可以根據其組成頻率分量來(lái)表示輸出電流：

方程式1

其中?0是信號的角頻率。假設高Q諧振器消除了較高的諧波分量，則負載（RL）上的交流電壓可以計算為：

方程式2

現在我們有了輸出電壓，我們可以計算出傳遞給負載的均方根（rms）功率為：

方程式3

為了計算電源提供的功率，我們求出從電源中汲取的電流的平均值（圖4中的波形），并將其乘以電源電壓。根據方程1，半波整流信號的平均值為Ip/π。因此，電源提供的功率為：

方程式4

這個(gè)方程式，連同方程式3，給出了放大器的效率：

方程式5

為了找到放大器的最大效率，我們需要用VCC表示Ip的最大值。為了找到這種關(guān)系，請注意，輸出擺幅的最大幅度（由方程2給出）等于VCC。正如我們討論過(guò)的電感性負載A類(lèi)放大器一樣，當晶體管的集電極（或漏極）通過(guò)RF扼流圈偏置時(shí)，情況就是這樣。輸出的直流偏置是VCC；輸出可以在VCC之上和之下擺動(dòng)。

因此，根據方程式2，我們有：

方程式6 

通過(guò)將上述公式替換為公式5中的Ip，我們找到了最大效率：

方程式7

與A類(lèi)放大器相比的功率效率

為了更好地理解是什么使B類(lèi)放大器比A類(lèi)放大器更高效，讓我們先回顧一下是什么使A類(lèi)放大器效率較低。

電感性負載的A類(lèi)放大器提供相對較低的效率，因為晶體管始終處于偏置狀態(tài)，即使沒(méi)有施加信號，也會(huì )從電源中汲取恒定的直流電流。這導致大量功率消耗在晶體管中，而不是負載中。

圖5首次出現在“電感負載A類(lèi)功率放大器簡(jiǎn)介”中，展示了隨著(zhù)集電極電流的增加，三個(gè)功率項在該類(lèi)PA中的表現：

PCC：供電。

PL：負載功率。

PTran：晶體管功率。

該圖還繪制了放大器的功率效率（青色曲線(xiàn)）。

A類(lèi)PA的電源功率、負載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關(guān)系圖。

圖5.電感性負載A類(lèi)放大器的電源功率、負載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關(guān)系。圖片由Steve Arar提供

如您所見(jiàn)，在沒(méi)有交流信號的情況下，沒(méi)有功率被傳遞給負載。相反，晶體管耗散了電源提供的所有功率。然而，即使信號擺幅和效率達到最大值，晶體管中耗散的功率也等于傳遞給負載的功率。

那么，B類(lèi)放大器是如何解決這個(gè)問(wèn)題的呢？我們在圖3中看到，A類(lèi)和B類(lèi)放大器的輸出電壓幾乎相同。但是，當我們比較導通角時(shí)，我們觀(guān)察到B類(lèi)晶體管的電流在信號周期的相對較小部分中不為零。

通過(guò)減少漏極電流和漏極電壓同時(shí)為非零的信號周期的比例，B類(lèi)放大器降低了晶體管中的功耗。這是以使輸出高度失真為代價(jià)實(shí)現的，可以通過(guò)加入高Q諧振器或使用推挽式配置來(lái)解決，我們將在后面的文章中討論。

與A類(lèi)放大器相比的輸出功率

但是，對于給定的晶體管和電源電壓，B級放大器的輸出功率與A級放大器相比如何？正如我們已經(jīng)看到的，A級和B級放大器都可以具有大約VCC的最大擺幅。換句話(huà)說(shuō)，假設晶體管的飽和電壓（VCE（sat））為零，峰峰擺幅將從零到2VCC。因此，給定電源電壓的輸出擺幅在兩種類(lèi)型的放大器中是相同的。

現在，假設可以流過(guò)晶體管的最大電流被指定為Imax。通過(guò)電感性負載A級負載的最大交流電流為Imax/2，另一半Imax在晶體管中損失。當B級晶體管以其最大電流工作時(shí)，圖4所示的半波整流電流（Ip）的峰值等于Imax。

當Ip=Imax時(shí)，電流基波分量的幅值為Imax/2（方程1），這也等于A(yíng)類(lèi)放大器的負載電流擺動(dòng)。這意味著(zhù)，在給定相同的晶體管規格和相同的電源電壓的情況下，A類(lèi)和B類(lèi)級可以產(chǎn)生相同的最大交流電流和輸出電壓。（在本分析中，我們忽略了擊穿電壓對偏置點(diǎn)和電壓擺動(dòng)的影響）。

因此，A類(lèi)和B類(lèi)設計都可以產(chǎn)生相同的最大輸出功率。此外，由于電壓和電流擺動(dòng)相同，兩種設計的最佳負載電阻是相同的。

總結一下

B類(lèi)放大器切斷輸入信號周期的一半，只使用剩余的一半來(lái)產(chǎn)生輸出信號，以換取效率的顯著(zhù)提高。由于其作為熱量的浪費功率較少，B類(lèi)放大器也可以比等效的A級運行更低。我們將在下一篇文章中更詳細地介紹B類(lèi)功率放大器的配置——現在，我希望你已經(jīng)發(fā)現這篇介紹有趣且內容豐富。