這個系列的前一篇文章討論了將電阻負載的共發(fā)射極電路用作功率放大器（PA）時面臨的挑戰(zhàn)和限制。在最后一節(jié)中，我們了解到通過使用大電感作為共發(fā)射極配置的負載，許多這些挑戰(zhàn)可以得到解決。在本文中，我們將更全面地研究感性加載的A類放大器。讓我們從圖1中的基本感性加載的共發(fā)射極配置開始我們的研究。

圖 1.感性共發(fā)射極放大器的簡單版本

你可能已經注意到，圖1看起來與我們上次介紹的功率放大器有些不同。與本文稍后將回顧的那個放大器版本不同，這個電路缺少匹配網絡。在其他方面，這個電路非常相似：

電感（L1）足夠大，以在操作頻率上充當交流開路。我們將這樣的電感稱為“射頻扼流圈”（RFC）。直流阻擋電容（C1）足夠大，在一定頻率上可視為短路。

電壓擺幅和電源電壓

上述電路的一個有趣特性是節(jié)點A（VA，或集電極電壓）的電壓可以超過供電電壓（VCC）。這是一個有用的特性：通過更大的電壓擺幅，功率放大器可以更容易地提供其功能所需的高功率水平。換句話說，對于給定的電壓擺幅，感性負載電路可以實現更低的供電電壓。

但是，感性加載的級別如何提供比其供電電壓更大的電壓擺幅呢？一個可能的解釋是，節(jié)點A處的直流電壓等于VCC，因為電感在直流時是短路。RFC僅攜帶直流電流，其值由連接到晶體管基極的偏置電路確定（圖中未顯示）。由于電感不能通過交流電流，晶體管的交流電流僅通過RL。

圖2顯示了兩個交流等效電路模型：一個是晶體管吸收ic交流電流的模型，另一個是晶體管源泉相同交流電流的模型。

圖2.電感負載共發(fā)射極放大器的兩個等效電路模型。

在圖2(a)中，節(jié)點B的交流電壓為–RLic。由于C1作為短路，節(jié)點A的交流電壓也是–RLic。當考慮直流和交流分量時，我們觀察到節(jié)點A的整體電壓從VCC降至一個較小的值VCC – RLic。

在圖2(b)中，晶體管交流電流為ic，并且節(jié)點A出現了正交流電壓。在這種情況下，節(jié)點A的整體電壓從VCC升至一個較大的值VCC + RLic。由此可見，集電極電壓可以超過VCC。

達到相同結果的另一種方法是考慮電容器C1上的直流電壓。在沒有交流信號的情況下，圖3中的節(jié)點A和節(jié)點B分別處于VCC和0V。因此，電容器上的直流電壓是VCC，極性如圖3所示。

圖3.通用感性負載共發(fā)射極放大器。注意 C1 兩側的極性。

當晶體管提供ic的交流電流時，節(jié)點B出現了正RLic的交流電壓?？紤]電容器的直流電壓，我們觀察到節(jié)點A的整體電壓為VCC + RLic。類似地，當晶體管吸收ic的交流電流時，節(jié)點A的整體電壓下降到VCC – RLic。

求最大電壓擺幅

假設晶體管具有ICQ的偏置電流，這也是電感提供的直流電流。晶體管可以提供給負載的最大交流電流是在整體集電極電流幾乎為零（晶體管幾乎截止）時發(fā)生的。這需要提供ic,max = ICQ的交流電流，如圖4(a)所示。

使用ic,max = ICQ，我們發(fā)現節(jié)點A的最大電壓為VCC + RLICQ。為了實現對稱擺動，晶體管還應該吸收ic,max = ICQ。這導致在節(jié)點A的最小電壓為VCC – RLICQ，正如我們在圖4(b)中看到的那樣。

圖4.找到最大電壓 （a） 和最小電壓 （b）。

另一方面，假設晶體管的飽和電壓為零（VCE(sat) = 0），則最小的集電極電壓為0V。因此，我們得到：

(1)

根據上述方程選擇偏置電流可以確保在輸出端實現最大對稱擺動。圖4還顯示了晶體管在兩個極端情況下承載的電流范圍。正如我們所看到的，晶體管電流可以從0變化到2ICQ。

總結一下，集電極電壓從0變化到2VCC，集電極電流從0變化到2ICQ。這個分析有助于我們基于晶體管的最大電壓和電流限制來選擇合適的晶體管。

計算最大功率效率

傳遞到負載的最大功率可以計算為：

(2)

在前一篇文章中討論的電阻加載的共發(fā)射極級將相當數量的不希望的直流功率傳遞到負載。相比之下，由于使用了直流阻擋電容，感性加載電路只向負載傳遞交流功率。這在效率方面有了顯著的改善，我們馬上就會看到。

供電電壓傳遞的平均交流功率為：

(3)

我們現在可以使用方程2和方程3來計算放大器的最大效率：

(4)

該放大器具有50%的最大效率，這意味著為了向負載傳遞1瓦，供電必須提供2瓦。剩余的1瓦在晶體管中損失。這相對于電阻加載級而言是一個顯著的改進，后者的最大效率僅為25%。

然而，在實際應用中，感性加載的功率放大器的實際效率可能遠低于50%。圖5說明了隨著信號幅度變化，效率如何變化——正如我們所看到的，只有當信號擺幅達到最大值時，效率才為50%。

圖5還顯示了與該電路相關的三個功率項隨集電極交流電流幅度的變化。這三個項分別是：

Pcc：供電功率。PL：負載功率。PTran：晶體管功率。

圖5.電源功率（藍色）、負載功率（紅色）、晶體管功率（綠色）和電源效率（青色）與集電極電流的關系圖。

如預期的那樣，供電提供的功率（Pcc）是恒定的。這個功率被耗散在負載（PL）或晶體管（PTran）中。當負載功率增加時，相應地在晶體管中耗散的功率減少。在沒有AC信號的情況下，零功率傳遞到負載，因此晶體管耗散供電提供的所有功率。

隨著信號幅度的增加，晶體管中耗散的功率越來越接近其最小值。從中我們可以看到，在沒有應用AC信號時，A類放大器中使用的晶體管承受最大的壓力。考慮到這一點，讓我們繼續(xù)探討感性加載共發(fā)射極級的另一種版本。

對匹配網絡的需求

我們對感性加載的A類功率放大器的討論實際上始于前一篇文章。讓我們回顧一下那篇文章結尾部分的一些相關要點：

實現最大輸出功率需要負載阻抗RL與晶體管的偏置點之間的特定關系。這個關系在本文的方程1中描述，也在上一篇文章的方程3和方程4中描述。

如果給定的負載阻抗不能滿足上述條件，我們可以使用匹配網絡將實際負載（RL）變換為最佳負載（Req），如圖6所示。

匹配網絡幾乎總是使用儲能元件來實現。因此，傳遞到匹配網絡輸入的功率在RL中被耗散。

圖6.感性加載共發(fā)射極放大器，包括一個匹配網絡。

實現匹配網絡的一種常見方式是使用變壓器，如圖7所示。

圖7.一種感性加載共發(fā)射極放大器，使用變壓器作為匹配網絡。

在上圖中，我們有：

（5）

這里的N1和N2分別是變壓器兩側的匝數，表示每一側的繞組數。通過使用適當的變比，我們可以使負載阻抗RL在集電極處顯得更大或更小，視情況而定。