逆F類(lèi)功率放大器簡(jiǎn)介

  以二次諧波峰值放大器為例，我們探討逆F類(lèi)放大的基本原理。 

F類(lèi)放大是一種成熟的技術(shù)，通過(guò)諧波調(diào)諧來(lái)提高放大器的性能。在F類(lèi)放大器中，奇次諧波被添加到集電極電壓上，使其形成方波。集電極電流則理想情況下是一個(gè)半正弦波，包含基波和偶次諧波。 

逆F類(lèi)放大器，也稱(chēng)為F-1類(lèi)放大器，交換了這些波形的形狀。集電極電流為方波，集電極電壓為半正弦波。在本文中，我們將研究該系列中最簡(jiǎn)單的成員：具有二次諧波峰值的逆F類(lèi)放大器（圖1）。 

圖1 具有二次諧波峰值的F-1類(lèi)放大器

如圖所示，該電路與三次諧波峰值的F類(lèi)放大器相同。區(qū)別在于紫色所示的諧振電路——在F類(lèi)放大器中，它將被調(diào)諧到三次諧波而不是二次諧波。 

逆F類(lèi)放大器的波形 

理想逆F類(lèi)放大器的集電極波形如圖2所示。在實(shí)際中，我們只能近似實(shí)現(xiàn)這些波形。 

圖2  理想逆F類(lèi)放大器的集電極電壓（上）和電流（下）波形 

在上圖中，當(dāng)電流較高時(shí)，晶體管兩端的電壓為零。理想F類(lèi)放大器也是如此（圖3）。 

圖3 理想F類(lèi)放大器的集電極電壓（上）和電流（下）波形

在這兩種情況下，目標(biāo)都是通過(guò)盡可能減少電流-電壓乘積來(lái)提高放大器的效率和輸出功率。 

我們知道，F(xiàn)類(lèi)放大器通過(guò)添加奇次諧波分量來(lái)產(chǎn)生圖3頂部的方波電壓。為了產(chǎn)生方波集電極電流，逆F類(lèi)放大器只需在晶體管的輸入端使用方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但它如何將集電極電壓塑造成圖2中的半正弦波呢？讓我們一探究竟。 

電壓波形的塑造 

我們首先考慮一些未經(jīng)整形的波形。如果從圖1中移除L2-C2諧波諧振器，剩下的基本上是一個(gè)單晶體管B類(lèi)放大器（圖4）。 

圖4 單晶體管B類(lèi)放大器 

在沒(méi)有諧波的情況下，B類(lèi)放大器的集電極電壓是一個(gè)偏移的正弦波。圖5展示了這一點(diǎn)以及理想的集電極電流。 

圖5 理想B類(lèi)放大器的集電極電流（上）和電壓（下）波形 

我們的目標(biāo)是將這個(gè)電壓波形塑造成半正弦波。為了簡(jiǎn)化分析，我們將時(shí)間原點(diǎn)設(shè)置在電壓波形的谷底。這將產(chǎn)生圖6中的波形。 

圖6 調(diào)整時(shí)間原點(diǎn)后的B類(lèi)電流和電壓波形 

在這種情況下，集電極電壓可以表示為： 

公式1  

圖6中的電壓波形對(duì)應(yīng)于最大擺幅條件（A1 = Vcc）。考慮到這一點(diǎn)，定義一個(gè)二次諧波電壓為： 

公式2  

如果我們將v2加到vB上，新的集電極電壓為： 

公式3  

其中x定義為二次諧波分量與基波分量的比值（x = A2/A1）。 

圖7繪制了A1 = Vcc = 1 V和A2 = 0 2 V（x = 0 2）時(shí)的vB、v2和vF。 

圖7  B類(lèi)放大器的集電極電壓波形（紅色）、二次諧波分量（洋紅色）以及通過(guò)添加二次諧波分量得到的復(fù)合波形（藍(lán)色）

請(qǐng)注意，基波和二次諧波之間的相位差被選擇為使vB的峰值和谷值與二次諧波波形（v2）的峰值對(duì)齊。 

考慮vB在t = T/2時(shí)的峰值點(diǎn)。此時(shí)，公式3簡(jiǎn)化為Vcc + A1 + A2。兩個(gè)交流項(xiàng)均為正，這提升了復(fù)合波形（vF）的峰值，使其超過(guò)原始信號(hào)（vB）的峰值。 

在t = 0這樣的谷值點(diǎn)，公式3簡(jiǎn)化為Vcc – A1 + A2。由于交流項(xiàng)在此點(diǎn)具有相反的極性，它們的效果相互抵消。結(jié)果是在t = 0附近形成一個(gè)平坦的復(fù)合波形。 

這表明，具有適當(dāng)相位的二次諧波可以提升電壓波形的峰值并使其谷值平坦。由于電壓波形的谷值對(duì)應(yīng)于集電極電流的峰值，這可以減少晶體管內(nèi)的功率損耗。 

上述討論表明，引入二次諧波可以產(chǎn)生一個(gè)近似半正弦波的復(fù)合波形。在我們繼續(xù)之前，請(qǐng)注意，雖然原始信號(hào)的擺幅為0到2Vcc，但復(fù)合波形的擺幅為0 2 V到2Vcc + 0 2 = 2 2 V。通過(guò)為A1和A2設(shè)置適當(dāng)?shù)闹?，我們將較低的電壓擺幅限制回地電平。 

選擇合適的二次諧波分量 

圖8展示了如果我們引入不同值的二次諧波分量，總電壓波形（vF）將如何變化。 

圖8  對(duì)于A1 = Vcc = 1 V和x從0到0 4變化時(shí)，通過(guò)添加二次諧波分量得到的復(fù)合波形

隨著x（A2與A1的比值）從0 1增加到約0 3，總電壓在其谷值附近變得更加平坦。當(dāng)x超過(guò)0 3時(shí)，波形中會(huì)出現(xiàn)一些紋波。基于此，二次諧波分量的最佳值是多少？ 

首先，我們需要定義“最佳”。我們可以使用兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)： 

1  產(chǎn)生最大平坦的電壓波形。 

2  產(chǎn)生最大效率。 

第一種方法在集電極電流較高時(shí)保持集電極電壓盡可能低。然而，事實(shí)證明，這種波形并不能產(chǎn)生最佳效率——為此，我們需要少量的紋波。 

以下是產(chǎn)生最大平坦和最大效率波形的條件。我們暫時(shí)跳過(guò)詳細(xì)的數(shù)學(xué)分析。 

當(dāng)集電極電壓最大平坦時(shí)： 

公式4

在此條件下，并將最小集電極電壓設(shè)為零，我們得到A1和A2的絕對(duì)值與電源電壓的關(guān)系： 

公式5

同時(shí)，最大效率在以下條件下實(shí)現(xiàn)： 

公式6

在此條件下，并將最小集電極電壓保持在地電平，得到以下關(guān)系： 

公式7

圖9繪制了最大平坦和最大效率情況下的集電極電壓。 

圖9  x = 0（紅色）、最大平坦（藍(lán)色）和最大效率（綠色）情況下的集電極電壓波形

請(qǐng)注意，將二次諧波電壓引入集電極電壓波形后，產(chǎn)生了近似的半正弦波。 

總結(jié) 

逆F類(lèi)放大器通過(guò)使用方波集電極電流并將集電極電壓塑造成半正弦波來(lái)最小化功率損耗。在二次諧波峰值放大器的情況下，半正弦波形通過(guò)引入二次諧波分量來(lái)產(chǎn)生（或至少近似產(chǎn)生）。我們將在下一篇文章中更詳細(xì)地研究這種配置并推導(dǎo)其設(shè)計(jì)方程。