F類功率放大器簡(jiǎn)介

本文探討了F類運(yùn)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(jīng)涵蓋了五種不同的功率放大器類別：A、B、C、D和E。我們現(xiàn)在準(zhǔn)備討論第六類F。這些放大器使用帶有多個(gè)諧波諧振器的負(fù)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(jiàn)，這兩條電路非常相似。唯一的區(qū)別是包含了第二個(gè)諧振電路。F類放大器通過(guò)采用多個(gè)調(diào)諧到信號(hào)諧波的諧振電路來(lái)塑造其電壓波形。當(dāng)通過(guò)晶體管的電流高時(shí)，多諧振負(fù)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(jí)的功耗。一旦我們做到了這一點(diǎn)，我們將準(zhǔn)備好討論F類操作如何改進(jìn)它。

B類放大器的功率損耗

上一節(jié)中的B類和F類電路都包括一個(gè)晶體管。由于實(shí)現(xiàn)高效率在功率放大器設(shè)計(jì)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(nèi)的功耗意味著電路在不將電源傳輸?shù)截?fù)載的情況下消耗電源的功率。相反，功率在晶體管內(nèi)部被浪費(fèi)，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(jí)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(dǎo)通點(diǎn)以下，并由輸入信號(hào)的正半周期驅(qū)動(dòng)導(dǎo)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。

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(shí)地再現(xiàn)輸入信號(hào)，負(fù)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。

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

在導(dǎo)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(yùn)的是，集電極電壓隨著電流的增加而降低。從效率的角度來(lái)看，這是有益的——在導(dǎo)通半周期內(nèi)集電極電壓保持較大恒定值的放大器將表現(xiàn)出比B級(jí)高得多的功率損耗。換句話說(shuō)，在導(dǎo)通半周期內(nèi)增加B類放大器的集電極電壓波形會(huì)降低效率。

F類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(nèi)降低電壓而不是增加電壓。讓我們?cè)谙乱还?jié)中進(jìn)一步討論這個(gè)問(wèn)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(dǎo)通半周期內(nèi)，它將電壓波形降低到B級(jí)以下。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，較低的電壓轉(zhuǎn)化為較小的電流-電壓乘積，這反過(guò)來(lái)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(dāng)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(zhuǎn)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(dāng)幅度和相位的諧波分量來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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(jiàn)實(shí)現(xiàn)。顧名思義，它通過(guò)添加三次諧波分量來(lái)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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類放大器基礎(chǔ)

本質(zhì)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?；仡^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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(lán)色），A1=Vcc=1 V和x=0.05

根據(jù)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(duì)齊。同樣，基波的峰值與三次諧波的波谷對(duì)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(dāng)?shù)南辔徊畹那闆r下，我們可以使用三次諧波分量來(lái)平坦電壓波形。還應(yīng)注意，雖然基波分量的峰間擺動(dòng)為2A1=2Vcc，但復(fù)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(fù)合波形的峰間波動(dòng)。

圖5中的集電極電壓曲線沒(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?cè)黾恿嘶ǚ至康妮斎牍β?。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(duì)應(yīng)于x=0.05。

圖6 Vcc=1 V、A1=1.053和x=0.05時(shí)，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(lán)色）

對(duì)于給定的擺動(dòng)限制，我們可以得出結(jié)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(fù)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(duì)于給定的負(fù)載阻抗，輸送到負(fù)載的功率增加了1.0532=1.11倍。換句話說(shuō)，與B級(jí)相比，三次諧波峰值F級(jí)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(nèi)變化時(shí)的總集電極電壓（vF）

當(dāng)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(xiàn)一些波紋。

總結(jié)

根據(jù)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(xù)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?cè)贐級(jí)中看到的效率和輸出功率高得多。