了解C類(lèi)功率放大器的局限性

在本文中，我們通過(guò)與A類(lèi)和B類(lèi)放大器的性能比較，探討了C類(lèi)操作的缺點(diǎn)。

正如本系列文章前面所述，減小功率放大器的導通角可以提高其效率。A類(lèi)功率放大器的導通角為360度，理論效率為50%；B類(lèi)功率放大器的導通角為180度，效率為78.5%。

這種提高效率的趨勢在C類(lèi)放大器中繼續存在，C類(lèi)放大器的導通角小于180度。例如，如圖1所示，導通角為90度的C類(lèi)放大器的理論效率為94%。

最大效率與導通角。在90度導通角時(shí)，最大效率為94.04%。

圖1 最大效率與導通角的曲線(xiàn)圖。

遺憾的是，C類(lèi)功率放大器存在幾個(gè)缺點(diǎn)，限制了它們在現代固態(tài)射頻電路中的應用。首先，在輸入功率相同的情況下，它們產(chǎn)生的輸出功率遠低于A(yíng)類(lèi)或B類(lèi)放大器。如果我們檢查與A類(lèi)或B類(lèi)放大器具有相同輸出功率的C類(lèi)放大器的設計，就會(huì )發(fā)現更多的限制。

在本文中，我們將通過(guò)比較必須向給定負載阻抗提供一定射頻功率的A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)放大器的性能來(lái)探討這些限制。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將在整篇文章中使用90度導通角的C類(lèi)放大器。首先，我們來(lái)比較每種放大器的輸出晶體管所承載的最大電流。

晶體管電流要求

在上一篇文章中，我們了解了導通角如何改變輸出電流的頻率內容。您可能從該討論中認出了圖2。它繪制了A、B和C類(lèi)放大器的平均（a0）和基波（a1）分量與導通角的關(guān)系圖。為了使這三種設計提供相同的功率，它們各自的輸出電流應具有相同的基本分量。

輸出電流的平均分量和基波分量相對于導通角的曲線(xiàn)圖。

圖2:針對導電角的平均和基本分量。

請注意，此圖中的a0和a1系數已歸一化為IM，其中IM是晶體管電流的峰值。換句話(huà)說(shuō)，假設IM為1。

A類(lèi)晶體管電流

設A類(lèi)級中的最大晶體管電流為IMA。從圖1中我們可以看到，A類(lèi)級的基本分量歸一化為IMA為0.5。因此我們有：

方程式1。

如果不能立即弄清楚為什么基本組件是A類(lèi)級最大電流的一半，請記住，這種類(lèi)型的放大器將晶體管偏置在其負載線(xiàn)的中點(diǎn)。放大器的最大集電極電流是偏置電流和交流電流之和。

為了獲得最大的對稱(chēng)擺幅，通過(guò)晶體管的直流電流應等于傳輸到負載的交流電流的幅度。圖3顯示了當晶體管達到其負載線(xiàn)邊界時(shí)，A類(lèi)放大器中集電極電流的變化情況。

在具有最大對稱(chēng)擺幅的A類(lèi)放大器中，集電極電流從0（a）變?yōu)樽畲笊漕l電流的兩倍（b）。

圖3. 在具有最大對稱(chēng)擺幅的A類(lèi)級中，最?。╝）和最大（b）集電極電流。

如您所見(jiàn)，集電極電流從零變?yōu)樽畲笊漕l電流的兩倍。這與方程式1一致。

B類(lèi)晶體管電流

B類(lèi)放大器呢？設B類(lèi)級的最大集電極電流為IMB。圖1顯示，B類(lèi)級的歸一化基波分量也為0.5，因此：

方程式2。

由此，我們可以看出，對于給定的最大晶體管電流，A類(lèi)和B類(lèi)放大器產(chǎn)生相同的基本分量。

C類(lèi)晶體管電流

C類(lèi)放大器的基本組件取決于其導電角。我們假設導電角θc = 90度，對應于歸一化基本組件0.31（圖1）。因此，我們有：

方程式3。

其中IMC是C類(lèi)級的最大集電極電流。

比較晶體管電流

方程式4。

求解IMC，我們得到：

方程式5。

C類(lèi)放大器的峰值電流是A類(lèi)或B類(lèi)放大器的1.6倍。請注意，我們的計算基于具有90度導通角的C類(lèi)放大器。導通角小于90度的C類(lèi)放大器相對于A(yíng)類(lèi)或B類(lèi)放大器具有更高的峰值電流。

這里的關(guān)鍵是，丙類(lèi)放大器中的晶體管必須處理更大的電流才能產(chǎn)生相同的輸出功率。實(shí)際上，這意味著(zhù)放大器需要更大的晶體管。我們進(jìn)一步減小導通角，峰值電流就越高，晶體管就需要越大。這可能會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題——一方面，更大的晶體管會(huì )導致匹配帶寬降低。

晶體管尺寸要求是一個(gè)主要缺點(diǎn)。還有其他高效的功率放大器配置不需要如此大的晶體管，這些配置在現代固態(tài)射頻設計中已經(jīng)取代了C類(lèi)操作。

在挑選晶體管時(shí)，我們還需要考慮放大器的最大電壓。正如我們將在下一節中看到的，丙類(lèi)操作在這里也會(huì )遇到問(wèn)題。

反向擊穿電壓?jiǎn)?wèn)題

在具有小導通角的放大器中，將輸出電流擺動(dòng)到其最大允許值需要將大電壓施加到晶體管的輸入端。要理解其原因，請考慮圖4中的電壓波形。

使用小導通角時(shí)需要較大的輸入電壓。

圖4. 使用小導通角時(shí)需要較大的輸入電壓。

在上述圖表中：

θc是放大器的導通角。

VT是晶體管的開(kāi)啟電壓。

Vmax是產(chǎn)生最大輸出電流的輸入電壓。

Vmax和VT之間的差值應足夠大，以便當輸入為Vmax時(shí)，晶體管能夠產(chǎn)生其最大電流。然而，超過(guò)VT的輸入部分僅對應于RF周期的一小部分（小導通角）。因此，需要非常大的驅動(dòng)信號。

現在考慮輸入的負擺幅。當輸入電壓接近其最小值時(shí)，輸出電壓擺動(dòng)到其最大值。這會(huì )在集電極-基極端子之間產(chǎn)生較大的電壓，這可能會(huì )導致集電極-基極結擊穿。這種反向擊穿會(huì )損壞晶體管，并導致從集電極到發(fā)射極的大電流不受控制地流動(dòng)。

失真和非線(xiàn)性

為了了解導通角如何影響線(xiàn)性度，比較設計用于相同輸出功率的A、B和C類(lèi)放大器的輸出電流波形是有益的。這些波形如圖5所示，可以按如下方式讀?。?/p>

紫色曲線(xiàn)對應360度導電角（A類(lèi)運行）。

品紅色曲線(xiàn)對應180度導通角（B類(lèi)操作）。

橙色曲線(xiàn)對應90度導通角（C類(lèi)操作）。

A類(lèi)、B類(lèi)和C類(lèi)放大器的電流波形。

圖5。A類(lèi)（紫色）、B類(lèi)（洋紅色）和C類(lèi)（橙色）放大器的電流波形。

藍色虛線(xiàn)曲線(xiàn)是振幅為IRF、偏移量為IQ的負值的正弦波。C類(lèi)波形是該正弦波的一部分。

藍色曲線(xiàn)提醒我們，當我們使用非360度的導通角時(shí)，輸出電流僅在周期的一部分是正弦曲線(xiàn)段。在周期的其余部分，輸出電流為零。由于輸入波形是純正弦曲線(xiàn)，因此輸出波形相對于它明顯失真。根據這個(gè)定義，只有A類(lèi)放大器是線(xiàn)性的。

然而，在功率放大器的背景下，我們也可以根據輸出端基波分量的功率隨輸入功率的變化來(lái)定義線(xiàn)性度。即使放大器涉及高度非線(xiàn)性的過(guò)程，其整體輸入輸出特性仍然可以是線(xiàn)性的。請注意，這種線(xiàn)性度的定義假設輸出的所有諧波分量都被輸出端的高Q諧振電路短路。

圖6展示了放大器電流波形的二次和三次諧波（a2和a3）隨其導通角的變化情況，以及平均和基本分量（a0和a1）。使用此圖，讓我們重新檢查A、B和C類(lèi)放大器的線(xiàn)性度。

輸出電流的平均值和前三個(gè)頻率分量與導通角的關(guān)系。

圖6 輸出電流的平均值和前三個(gè)諧波頻率分量與導通角的關(guān)系。

A類(lèi)和B類(lèi)放大器的線(xiàn)性度

由于沒(méi)有對信號進(jìn)行削波，因此A類(lèi)操作仍被假定為線(xiàn)性操作。在圖6中，二次和三次諧波分量在360度導通角時(shí)均為零。

乙類(lèi)級的輸入信號相對于晶體管的導通點(diǎn)是呈對稱(chēng)的。在180度導通角處存在二次諧波分量，但三次諧波為零。改變輸入信號的幅度不會(huì )影響導通角。

因此，B類(lèi)級輸出端基本元件的功率與輸入功率成正比。從這個(gè)意義上說(shuō)，單晶體管B類(lèi)放大器是線(xiàn)性的。B類(lèi)級的輸入驅動(dòng)功率降低會(huì )導致輸出功率等量降低。

丙類(lèi)放大器的線(xiàn)性度

對于小于180度的導通角（C類(lèi)操作），我們在圖6中可以看到存在二次和三次諧波分量。C類(lèi)放大器使用較窄的脈沖來(lái)實(shí)現更高的效率，并且其導通角隨輸入信號的幅度而變化?；仡檲D5可以幫助您形象化這一點(diǎn)。

對于給定的偏置點(diǎn)，減小輸入信號的幅度會(huì )減小導通角，從而減小級的增益。這意味著(zhù)即使我們考慮輸出相對于輸入功率的基波分量，C類(lèi)放大器也不是線(xiàn)性的。例如，將輸入功率降低3 dB可能會(huì )使輸出基波功率降低3 dB以上。

AB類(lèi)放大器的線(xiàn)性度

另外，即使使用完全線(xiàn)性的晶體管，AB類(lèi)放大器（即導通角在180到360度之間的放大器）也是非線(xiàn)性的。這是因為放大器的導通角隨驅動(dòng)電平而變化。

然而，應該注意的是，現實(shí)世界中的晶體管是非線(xiàn)性設備，因此在現實(shí)世界中，所有類(lèi)別的放大器都具有某種非線(xiàn)性。在實(shí)踐中，AB類(lèi)放大器為調幅信號提供了最佳的線(xiàn)性度。由于A(yíng)B類(lèi)放大器從效率的角度來(lái)看也是有優(yōu)勢，因此它們通常用于涉及調幅的應用中。

抑制諧波分量

回到我們的主要討論話(huà)題，我們還沒(méi)有提到C類(lèi)工作模式的最后一個(gè)問(wèn)題：即輸出電流的諧波分量大于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)放大器的諧波分量。當我們使用越來(lái)越小的導通角時(shí)，這一點(diǎn)尤其如此（圖6）。因此，我們需要更高Q值的諧振電路來(lái)抑制諧波分量。

總結

C類(lèi)放大器在真空管時(shí)代比現在更常見(jiàn)——事實(shí)上，現代真空管應用仍然受益于C類(lèi)放大器的高效率。然而，它們在現代射頻半導體電路中很少使用。固態(tài)設計通常使用其他類(lèi)型的放大器，這些放大器提供了高效率，而不會(huì )引起我們在本文中列舉的問(wèn)題。我們將在以后的文章中討論其中的一些配置。