F類(lèi)功率放大器簡(jiǎn)介

本文探討了F類(lèi)運算的基本原理，并介紹了三次諧波峰值F類(lèi)放大器。

到目前為止，本系列文章已經(jīng)涵蓋了五種不同的功率放大器類(lèi)別：A、B、C、D和E。我們現在準備討論第六類(lèi)F。這些放大器使用帶有多個(gè)諧波諧振器的負載網(wǎng)絡(luò )來(lái)提高效率和輸出功率。圖1顯示了基本F類(lèi)放大器的電路圖。

圖1三次諧波峰值F類(lèi)放大器的電路圖

這種配置被稱(chēng)為三次諧波峰值F類(lèi)放大器。為了便于比較，圖2顯示了單晶體管B類(lèi)放大器的電路圖。

圖2單晶體管B類(lèi)放大器

如您所見(jiàn)，這兩條電路非常相似。唯一的區別是包含了第二個(gè)諧振電路。F類(lèi)放大器通過(guò)采用多個(gè)調諧到信號諧波的諧振電路來(lái)塑造其電壓波形。當通過(guò)晶體管的電流高時(shí)，多諧振負載網(wǎng)絡(luò )使晶體管兩端的電壓保持較低，從而產(chǎn)生方波。

為了理解這如何提高效率，我們首先需要退一步，檢查B級的功耗。一旦我們做到了這一點(diǎn)，我們將準備好討論F類(lèi)操作如何改進(jìn)它。

B類(lèi)放大器的功率損耗

上一節中的B類(lèi)和F類(lèi)電路都包括一個(gè)晶體管。由于實(shí)現高效率在功率放大器設計中至關(guān)重要，因此最小化晶體管的功耗至關(guān)重要。晶體管內的功耗意味著(zhù)電路在不將電源傳輸到負載的情況下消耗電源的功率。相反，功率在晶體管內部被浪費，降低了效率。

為了更好地了解B類(lèi)晶體管的功耗，讓我們檢查其集電極的電壓和電流波形。圖3的上圖顯示了理想B類(lèi)放大器的集電極電流波形。下圖顯示了集電極電壓的波形。

圖3理想B級的集電極電流（頂部）和集電極電壓（底部）

在B類(lèi)放大器中，晶體管偏置在其導通點(diǎn)以下，并由輸入信號的正半周期驅動(dòng)導通。因此，集電極電流是一個(gè)富含不同諧波的半波整流正弦曲線(xiàn)。

如圖3的下圖所示，B類(lèi)放大器的輸出電壓在基頻下是正弦曲線(xiàn)。為了忠實(shí)地再現輸入信號，負載網(wǎng)絡(luò )在基頻使用高Q諧振電路。油箱使諧波分量短路，產(chǎn)生我們上面看到的正弦曲線(xiàn)。

從圖3中可以明顯看出，晶體管在其關(guān)斷半周期內（例如，從t=t/2到t=t的間隔）不會(huì )消耗任何功率，因為在這些時(shí)間間隔內，零電流流過(guò)晶體管。

在導通半周期（t=0至t=t/2）期間，晶體管電流和電壓均為非零，表明晶體管中的功率損耗。幸運的是，集電極電壓隨著(zhù)電流的增加而降低。從效率的角度來(lái)看，這是有益的——在導通半周期內集電極電壓保持較大恒定值的放大器將表現出比B級高得多的功率損耗。換句話(huà)說(shuō)，在導通半周期內增加B類(lèi)放大器的集電極電壓波形會(huì )降低效率。

F類(lèi)操作的基本思想是通過(guò)相反的方式提高效率——在ON半周期內降低電壓而不是增加電壓。讓我們在下一節中進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)題。

了解F類(lèi)操作

圖4顯示了F類(lèi)放大器的集電極電流和電壓波形。我們可以在下圖中看到，在晶體管的導通半周期內，它將電壓波形降低到B級以下。當晶體管導通時(shí)，較低的電壓轉化為較小的電流-電壓乘積，這反過(guò)來(lái)意味著(zhù)晶體管消耗的功率較少。

圖4具有更尖銳邊緣的集電極電壓波形可以降低晶體管的功率損耗

當集電極電壓接近矩形波形時(shí)，它會(huì )減小電壓和電流的乘積。為了在高電流條件下獲得盡可能低的電壓，我們需要使電壓波形的轉變更清晰，并使其峰谷變平。我們可以通過(guò)在晶體管兩端的電壓中添加具有適當幅度和相位的諧波分量來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)。

圖1中的F類(lèi)電路，即三次諧波峰值放大器，代表了這一想法的常見(jiàn)實(shí)現。顧名思義，它通過(guò)添加三次諧波分量來(lái)實(shí)現所需的電壓波形。我們將在本系列的下一篇文章中研究電路本身?，F在，讓我們借助一些電壓圖來(lái)討論它的基本原理。

三次諧波峰值F類(lèi)放大器基礎

本質(zhì)上，三次諧波峰值放大器向B類(lèi)放大器添加了三次諧波分量?；仡^參考圖3，我們可以將理想B類(lèi)放大器的集電極電壓表示為：

方程式1

其中A1是基波電壓分量的振幅。圖3中的電壓波形對應于最大輸出擺幅（A1=Vcc）。

接下來(lái)，讓我們考慮振幅為A3的三次諧波分量：

方程式2

如果我們從vB中減去v3，則新的集電極電壓為：

方程式3

其中x=A3/A1。

圖5繪制了A1=Vcc=1 V和A3=0.05時(shí)的vB、v3和vF。在上述方程中，x被定義為三次諧波分量（A3）與基波分量（A1）的比率，因此這對應于x=0.05。

圖5 B類(lèi)放大器的集電極電壓波形（紅色）、三次諧波分量（品紅色）以及包含基波和三次諧波成分的總電壓（藍色），A1=Vcc=1 V和x=0.05

根據方程式1至3中定義的電壓波形，基波和三次諧波之間的相位差使基波的波谷與三次諧波的峰值對齊。同樣，基波的峰值與三次諧波的波谷對齊。因此，與沒(méi)有三次諧波分量的原始（vB）波形相比，總電壓或F類(lèi)電壓（vF）在其峰和谷附近略微平坦。

上述波形表明，在兩個(gè)頻率分量之間有適當的相位差的情況下，我們可以使用三次諧波分量來(lái)平坦電壓波形。還應注意，雖然基波分量的峰間擺動(dòng)為2A1=2Vcc，但復合波形vF的峰間擺幅較小，約為0.05V至1.95 V。添加三次諧波分量會(huì )減小復合波形的峰間波動(dòng)。

圖5中的集電極電壓曲線(xiàn)沒(méi)有完全利用可用的擺幅（0到2Vcc）。為了充分利用潛在的擺動(dòng)，我們增加了基波分量的輸入功率。圖6顯示了Vcc=1 V、A1=1.053 V和A3=0.053 V的波形。這些值與上例中的值一樣，對應于x=0.05。

圖6 Vcc=1 V、A1=1.053和x=0.05時(shí)，B類(lèi)放大器的集電極電壓波形（紅色）、三次諧波分量（品紅色）和由基波和三次諧波組成的總電壓（藍色）

對于給定的擺動(dòng)限制，我們可以得出結論，添加三次諧波可以增加基波分量（A1）。這反過(guò)來(lái)又增加了在基本組件處傳遞給負載的功率。

在上述示例中，基波分量（A1）從1V增加到1.053V。因此，對于給定的負載阻抗，輸送到負載的功率增加了1.0532=1.11倍。換句話(huà)說(shuō)，與B級相比，三次諧波峰值F級的輸出功率增加了約11%。

增加三次諧波的振幅怎么樣？

圖7說(shuō)明了總電壓波形（vF）如何隨三次諧波分量的不同電平而變化。

圖7 A1=Vcc=1 V和x在0.05至0.25范圍內變化時(shí)的總集電極電壓（vF）

當我們將x從0.05增加到約0.1時(shí)，總電壓在其峰和谷附近變得更平坦。然而，如果x超過(guò)0.1，波形中會(huì )出現一些波紋。

總結

根據我們迄今為止所了解的情況，最佳的三次諧波值似乎是將集電極電壓整形為方波的值。在本系列的下一篇文章中，我們將繼續討論三次諧波峰值F類(lèi)放大器，我們將看到這并不完全正確。然而，這種放大器仍然比我們在B級中看到的效率和輸出功率高得多。