F類功率放大器簡介

本文探討了F類運算的基本原理，并介紹了三次諧波峰值F類放大器。

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

圖1三次諧波峰值F類放大器的電路圖

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

圖2單晶體管B類放大器

如您所見，這兩條電路非常相似。唯一的區別是包含了第二個諧振電路。F類放大器通過采用多個調諧到信號諧波的諧振電路來塑造其電壓波形。當通過晶體管的電流高時，多諧振負載網絡使晶體管兩端的電壓保持較低，從而產生方波。

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，我們將準備好討論F類操作如何改進它。

B類放大器的功率損耗

上一節中的B類和F類電路都包括一個晶體管。由于實現高效率在功率放大器設計中至關重要，因此最小化晶體管的功耗至關重要。晶體管內的功耗意味著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類放大器中，晶體管偏置在其導通點以下，并由輸入信號的正半周期驅動導通。因此，集電極電流是一個富含不同諧波的半波整流正弦曲線。

如圖3的下圖所示，B類放大器的輸出電壓在基頻下是正弦曲線。為了忠實地再現輸入信號，負載網絡在基頻使用高Q諧振電路。油箱使諧波分量短路，產生我們上面看到的正弦曲線。

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

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，集電極電壓隨著電流的增加而降低。從效率的角度來看，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。換句話說，在導通半周期內增加B類放大器的集電極電壓波形會降低效率。

F類操作的基本思想是通過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一步討論這個問題。

了解F類操作

圖4顯示了F類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，較低的電壓轉化為較小的電流-電壓乘積，這反過來意味著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，它會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實現這一點。

圖1中的F類電路，即三次諧波峰值放大器，代表了這一想法的常見實現。顧名思義，它通過添加三次諧波分量來實現所需的電壓波形。我們將在本系列的下一篇文章中研究電路本身。現在，讓我們借助一些電壓圖來討論它的基本原理。

三次諧波峰值F類放大器基礎

本質上，三次諧波峰值放大器向B類放大器添加了三次諧波分量。回頭參考圖3，我們可以將理想B類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，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，與沒有三次諧波分量的原始（vB）波形相比，總電壓或F類電壓（vF）在其峰和谷附近略微平坦。

上述波形表明，在兩個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平坦電壓波形。還應注意，雖然基波分量的峰間擺動為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減小復合波形的峰間波動。

圖5中的集電極電壓曲線沒有完全利用可用的擺幅（0到2Vcc）。為了充分利用潛在的擺動，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，B類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）。這反過來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。換句話說，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范圍內變化時的總集電極電壓（vF）

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

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。