?設計具有二次諧波峰值的逆F類放大器

我們探討了二次諧波峰值放大器的實現和設計方程。

在逆F類放大器中，集電極電壓被塑造成半正弦波，集電極電流則呈現為方波。圖1展示了一個基本的逆F類放大器的電路原理圖。

二次諧波峰值放大器的電路圖。

圖1 二次諧波峰值放大器的電路圖

正如我們在本系列前一篇文章中所知，這種配置被稱為二次諧波峰值放大器。然而，當我們討論它時，主要集中在它產生的波形上。在本文中，我們將更詳細地研究電路本身。然后，我們將制定二次諧波峰值放大器的基本設計方程，并使用它們來設計一個示例。

二次諧波峰值放大器的工作原理

正如前一篇文章所述，圖1中的原理圖幾乎與三次諧波峰值F類放大器的原理圖相同。唯一的區別是L2-C2諧振電路調諧到二次諧波而不是三次諧波。

L2和C2組件一起在二次諧波處近似為開路。然而，在其他諧波頻率下，它們的行為類似于短路。同樣，基波諧振器（L0和C0）在基波頻率處表現為開路，而在所有其他諧波處有效地將輸出接地。

圖2總結了負載網絡在不同諧波下的阻抗。

二次諧波峰值放大器的負載網絡在不同頻率下呈現的阻抗。

圖2 放大器的負載網絡在不同諧波下呈現的阻抗

讓我們稍微擴展一下這個總結：

在基波頻率下，L2-C2諧振電路表現為短路，而L0-C0連接近似為開路。因此，在基波頻率下，負載網絡向晶體管呈現RL的阻抗。

在二次諧波處，L2-C2連接表現為開路。因此，集電極看到的是開路。

在二次諧波以上的諧波頻率下，兩個諧振電路都表現為短路。因此，負載網絡有效地向晶體管呈現短路。

RL上的電壓是正弦波形，因為L0-C0諧振電路將所有非基波電流分量短路。L2-C2諧振電路上的電壓是二次諧波的正弦信號，因為L2-C2連接在該頻率下對輸出電流呈現高阻抗。由于集電極電壓是負載（RL）電壓和L2-C2諧振電路電壓的總和，因此集電極電壓中加入了二次諧波分量。

集電極電壓和電流波形

逆F類放大器的目標波形如圖3所示。

圖3 理想逆F類放大器中的集電極電壓（頂部）和電流（底部）波形

如上圖所示，集電極電流是方波。為了產生這種波形，二次諧波峰值級需要一個方波驅動信號。

同時，目標集電極電壓波形是半正弦波。由于它僅包含二次諧波，二次諧波峰值放大器產生的集電極電壓只能近似于此。集電極電壓可以表示為：

公式1

對于最大平坦波形，基波和二次諧波應滿足以下條件：

公式2

圖4繪制了二次諧波峰值放大器的最大平坦集電極電壓波形。

逆F類放大器的最大平坦集電極電壓波形。

圖4 二次諧波峰值放大器的最大平坦集電極電壓以藍色顯示

二次諧波峰值放大器的最小集電極電壓為地。然而，最大平坦電壓波形可以達到的峰值值為：

公式3

計算輸出功率

現在我們已經確定了基波電壓分量的幅度，讓我們計算傳遞到負載的平均功率：

公式4

這比B類放大器的輸出功率大約78%，B類放大器的輸出功率為：

公式5

計算放大器的效率

為了計算放大器的效率，我們需要確定輸出功率（公式4中的PL）和從電源中汲取的功率（Pcc）。為了計算電源提供的功率，我們找到從電源中汲取的電流的平均值（Ic,ave）并將其乘以電源電壓：

公式6

如圖3所示，集電極電流是在0和Icp之間切換的方波。通過使用傅里葉級數表示，晶體管中的方波電流可以表示為各頻率分量的總和：

公式7

傅里葉級數表示顯示，從電源中汲取的直流電流為0.5Icp。因此，公式6得出：

公式8

我們可以應用公式4和8來確定放大器的效率，但前提是我們已經建立了Icp和Vcc之間的關系。從公式7中，我們觀察到基波分量的幅度為2Icp/π。該電流通過負載（RL），導致基波電壓幅度為A1 = 4Vcc/3。由此，我們推導出以下關系：

公式9

結合公式8和9，提供給放大器的功率為：

公式10

最后，我們使用公式4和10來計算效率：

公式11

需要注意的是，效率和輸出功率都不能完全評估功率放大器的性能。例如，B類放大器的峰值集電極電壓為2Vcc。在我們研究的逆F類放大器中，它是2.67Vcc。這意味著二次諧波放大器的高輸出功率是以晶體管承受更大的電壓應力為代價實現的。

輸出功率能力

為了評估輸出功率并考慮晶體管上的電壓和電流應力，我們使用一個稱為輸出功率能力的參數。對于功率放大器，該參數定義為：

公式12

其中：

PL,max 是最大輸出功率

Ic,max 是最大集電極電流

Vc,max 是最大集電極電壓

N 是放大器中的晶體管數量。

輸出功率能力是當器件具有1V的峰值集電極電壓和1A的峰值集電極電流時產生的輸出功率。注意到輸出功率等于Pcc乘以效率（η），我們可以將公式12重寫為：

公式13

正如我們在公式3中看到的，二次諧波峰值放大器的最大平坦電壓波形的峰值為8Vcc/3。從公式7中我們還知道，平均集電極電流與其最大值的比率為0.5。將這些值代入公式13，我們得到：

公式14

相比之下，B類放大器的輸出功率能力為Cp = 0.125。這表明逆F類放大器在相同的晶體管規格下提供了更高的輸出功率。

示例：設計一個二次諧波峰值放大器

假設我們正在設計一個具有二次諧波峰值和最大平坦集電極電壓的逆F類放大器。如果電源電壓為Vcc = 30 V，請確定以下內容：

1 如果電源電壓為30 V，輸出功率為PL = 50 W時的負載電阻（RL）。

2 晶體管必須承受的最大電流和電壓。

讓我們從負載電阻開始。將給定的輸出功率和電源電壓值代入公式4，我們有：

公式15

由此得出RL = 16 Ω。

正如我們從公式3中知道的，這種放大器的最大集電極電壓為：

公式16

最后，從公式9中，最大集電極電流為：

公式17

總結

二次諧波峰值放大器是一種基本的逆F類配置，通過引入二次諧波分量產生近似半正弦的集電極電壓。為了產生最大平坦的集電極電壓波形，二次諧波的幅度應為基波頻率分量的四分之一。這導致了η = 8.49%的效率。

本文不僅結束了我們對逆F類放大器的討論，也結束了關于不同功率放大器類別的系列文章。本系列文章的完整列表如下。

A類到C類：

1 A類功率放大器簡介：共射極PA

2 電感負載A類功率放大器簡介

3 B類功率放大器簡介

4 推挽B類功率放大器的基本原理

5 C類功率放大器簡介

6 理解C類功率放大器的局限性

D類：

7 開關模式功率放大器簡介：D類操作

8 為什么D類放大器需要反并聯二極管

9 理解D類放大器中二極管反向恢復的影響

10 理解D類放大器的非理想性：電抗負載和寄生電容

11 理解變壓器耦合電壓開關D類放大器

12 理解變壓器耦合電流開關D類放大器

E類：

13 E類功率放大器簡介

14 E類功率放大器：波形工程以實現卓越性能

15 E類功率放大器的負載網絡響應和設計方程

16 解析E類功率放大器的設計方程

17 低Q值E類放大器中的諧波抑制

18 理解E類放大器中的開關損耗

19 確定E類功率放大器的RF扼流圈要求

20 如何調諧E類放大器

F類和逆F類：

21 F類功率放大器簡介

22 理解具有最大平坦波形的三次諧波峰值F類放大器

23 設計最大效率的三次諧波峰值F類放大器

24 理解傳輸線峰值F類放大器

25 逆F類功率放大器簡介

26 設計具有二次諧波峰值的逆F類放大器