F类功率放大器简介

本文探讨了F类运算的基本原理，并介绍了三次谐波峰值F类放大器。

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到目前为止，本系列文章已经涵盖了五种不同的功率放大器类别：A、B、C、D和E。我们现在准备讨论第六类F。这些放大器使用带有多个谐波谐振器的负载网络来提高效率和输出功率。图1显示了基本F类放大器的电路图。

图1三次谐波峰值F类放大器的电路图

这种配置被称为三次谐波峰值F类放大器。为了便于比较，图2显示了单晶体管B类放大器的电路图。

图2单晶体管B类放大器

如您所见，这两条电路非常相似。唯一的区别是包含了第二个谐振电路。F类放大器通过采用多个调谐到信号谐波的谐振电路来塑造其电压波形。当通过晶体管的电流高时，多谐振负载网络使晶体管两端的电压保持较低，从而产生方波。

为了理解这如何提高效率，我们首先需要退一步，检查B级的功耗。一旦我们做到了这一点，我们将准备好讨论F类操作如何改进它。

B类放大器的功率损耗

上一节中的B类和F类电路都包括一个晶体管。由于实现高效率在功率放大器设计中至关重要，因此最小化晶体管的功耗至关重要。晶体管内的功耗意味着电路在不将电源传输到负载的情况下消耗电源的功率。相反，功率在晶体管内部被浪费，降低了效率。

为了更好地了解B类晶体管的功耗，让我们检查其集电极的电压和电流波形。图3的上图显示了理想B类放大器的集电极电流波形。下图显示了集电极电压的波形。

图3理想B级的集电极电流（顶部）和集电极电压（底部）

在B类放大器中，晶体管偏置在其导通点以下，并由输入信号的正半周期驱动导通。因此，集电极电流是一个富含不同谐波的半波整流正弦曲线。

如图3的下图所示，B类放大器的输出电压在基频下是正弦曲线。为了忠实地再现输入信号，负载网络在基频使用高Q谐振电路。油箱使谐波分量短路，产生我们上面看到的正弦曲线。

从图3中可以明显看出，晶体管在其关断半周期内（例如，从t=t/2到t=t的间隔）不会消耗任何功率，因为在这些时间间隔内，零电流流过晶体管。

在导通半周期（t=0至t=t/2）期间，晶体管电流和电压均为非零，表明晶体管中的功率损耗。幸运的是，集电极电压随着电流的增加而降低。从效率的角度来看，这是有益的——在导通半周期内集电极电压保持较大恒定值的放大器将表现出比B级高得多的功率损耗。换句话说，在导通半周期内增加B类放大器的集电极电压波形会降低效率。

F类操作的基本思想是通过相反的方式提高效率——在ON半周期内降低电压而不是增加电压。让我们在下一节中进一步讨论这个问题。

了解F类操作

图4显示了F类放大器的集电极电流和电压波形。我们可以在下图中看到，在晶体管的导通半周期内，它将电压波形降低到B级以下。当晶体管导通时，较低的电压转化为较小的电流-电压乘积，这反过来意味着晶体管消耗的功率较少。

图4具有更尖锐边缘的集电极电压波形可以降低晶体管的功率损耗

当集电极电压接近矩形波形时，它会减小电压和电流的乘积。为了在高电流条件下获得尽可能低的电压，我们需要使电压波形的转变更清晰，并使其峰谷变平。我们可以通过在晶体管两端的电压中添加具有适当幅度和相位的谐波分量来实现这一点。

图1中的F类电路，即三次谐波峰值放大器，代表了这一想法的常见实现。顾名思义，它通过添加三次谐波分量来实现所需的电压波形。我们将在本系列的下一篇文章中研究电路本身。现在，让我们借助一些电压图来讨论它的基本原理。

三次谐波峰值F类放大器基础

本质上，三次谐波峰值放大器向B类放大器添加了三次谐波分量。回头参考图3，我们可以将理想B类放大器的集电极电压表示为：

方程式1

其中A1是基波电压分量的振幅。图3中的电压波形对应于最大输出摆幅（A1=Vcc）。

接下来，让我们考虑振幅为A3的三次谐波分量：

方程式2

如果我们从vB中减去v3，则新的集电极电压为：

方程式3

其中x=A3/A1。

图5绘制了A1=Vcc=1 V和A3=0.05时的vB、v3和vF。在上述方程中，x被定义为三次谐波分量（A3）与基波分量（A1）的比率，因此这对应于x=0.05。

图5 B类放大器的集电极电压波形（红色）、三次谐波分量（品红色）以及包含基波和三次谐波成分的总电压（蓝色），A1=Vcc=1 V和x=0.05

根据方程式1至3中定义的电压波形，基波和三次谐波之间的相位差使基波的波谷与三次谐波的峰值对齐。同样，基波的峰值与三次谐波的波谷对齐。因此，与没有三次谐波分量的原始（vB）波形相比，总电压或F类电压（vF）在其峰和谷附近略微平坦。

上述波形表明，在两个频率分量之间有适当的相位差的情况下，我们可以使用三次谐波分量来平坦电压波形。还应注意，虽然基波分量的峰间摆动为2A1=2Vcc，但复合波形vF的峰间摆幅较小，约为0.05V至1.95 V。添加三次谐波分量会减小复合波形的峰间波动。

图5中的集电极电压曲线没有完全利用可用的摆幅（0到2Vcc）。为了充分利用潜在的摆动，我们增加了基波分量的输入功率。图6显示了Vcc=1 V、A1=1.053 V和A3=0.053 V的波形。这些值与上例中的值一样，对应于x=0.05。

图6 Vcc=1 V、A1=1.053和x=0.05时，B类放大器的集电极电压波形（红色）、三次谐波分量（品红色）和由基波和三次谐波组成的总电压（蓝色）

对于给定的摆动限制，我们可以得出结论，添加三次谐波可以增加基波分量（A1）。这反过来又增加了在基本组件处传递给负载的功率。

在上述示例中，基波分量（A1）从1V增加到1.053V。因此，对于给定的负载阻抗，输送到负载的功率增加了1.0532=1.11倍。换句话说，与B级相比，三次谐波峰值F级的输出功率增加了约11%。

增加三次谐波的振幅怎么样？

图7说明了总电压波形（vF）如何随三次谐波分量的不同电平而变化。

图7 A1=Vcc=1 V和x在0.05至0.25范围内变化时的总集电极电压（vF）

当我们将x从0.05增加到约0.1时，总电压在其峰和谷附近变得更平坦。然而，如果x超过0.1，波形中会出现一些波纹。

总结

根据我们迄今为止所了解的情况，最佳的三次谐波值似乎是将集电极电压整形为方波的值。在本系列的下一篇文章中，我们将继续讨论三次谐波峰值F类放大器，我们将看到这并不完全正确。然而，这种放大器仍然比我们在B级中看到的效率和输出功率高得多。