數(shù)十年來，為滿足不同應(yīng)用的目標(biāo)，已開發(fā)出多種功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一些功率放大器類別，包括我們將要討論的類別，都是基于其導(dǎo)通角（θc）來定義的。導(dǎo)通角表示放大器射頻晶體管處于開啟狀態(tài)的輸入周期的比例。

本系列之前的文章討論了A類和B類放大器。在A類放大器中，晶體管始終處于開啟狀態(tài)。因此，該放大器的導(dǎo)通角為360度。而在B類放大器中，晶體管僅在信號(hào)周期的一半時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，因此導(dǎo)通角為180度。

我們了解到，通過減小導(dǎo)通角，我們可以將效率從A類階段的50%提高到B類放大器的78.5%。但如果我們進(jìn)一步減小導(dǎo)通角，效率會(huì)發(fā)生什么變化呢？

導(dǎo)通角小于180度的功率放大器被稱為C類放大器。在本文中，我們將研究C類放大器的工作原理，并探討導(dǎo)通角進(jìn)一步減小對(duì)各種功率放大器性能參數(shù)的影響。最后，我們將通過經(jīng)典的統(tǒng)一分析來比較A類、B類和C類放大器的性能。

C類放大器中的電流和電壓波形

在C類放大器中，晶體管的導(dǎo)通時(shí)間少于輸入周期的一半。在窄脈沖的刺激下，晶體管在輸出端產(chǎn)生一個(gè)短電流脈沖。圖1中的橙色曲線展示了C類放大器在導(dǎo)通角為θc時(shí)的一個(gè)集電極電流周期。

圖1. 導(dǎo)通角為θc的C類放大器的電流波形

如上所示，當(dāng)晶體管處于閉合狀態(tài)時(shí)，輸出電流為一段正弦波，而當(dāng)晶體管截止時(shí)，輸出電流為零。完整的正弦波（上面的藍(lán)色曲線）具有一個(gè)負(fù)偏移量IQ和幅度IRF。這里的直流偏移量IQ類似于線性放大器中的偏置電流，但在C類放大器中它是負(fù)的。因此，輸出電流可以用以下表達(dá)式描述：

其中，θ對(duì)應(yīng)于水平軸上的位置。

通過改變IQ，我們還可以產(chǎn)生A類和B類放大器的波形。例如，當(dāng)IQ=0時(shí)，導(dǎo)通角為180度（B類）。因此，我們可以使用上述波形來研究正在討論的A類、B類和C類這三種放大器的性能。

圖2比較了接近理想狀態(tài)的A類、B類和C類放大器的晶體管電流和輸出電壓波形。

圖2. A類、B類和C類放大器的電流（a）和電壓（b）波形

A類放大器的晶體管電流和輸出電壓波形均為正弦波。盡管在B類和C類放大器中，晶體管電流僅為正弦波的一部分，但由于B類和C類放大器輸出端存在高品質(zhì)因數(shù)（Q值）諧振電路，這些工作模式的輸出電壓也可以近似為正弦波。

C類放大器原理圖

圖3展示了C類放大器的基本電路原理圖。放大器輸出端的高品質(zhì)因數(shù)（Q值）諧振電路用綠色標(biāo)出。

圖3. C類放大器的基本原理圖

根據(jù)我們?yōu)榫w管選擇的靜態(tài)偏置點(diǎn)，上述原理圖也可用于構(gòu)建A類放大器或單晶體管B類放大器。A類放大器是這三種類型中最線性的，它可能使用Q因子相對(duì)較低的諧振電路。

在線性度的另一端，C類放大器在輸出端產(chǎn)生一系列短電流脈沖。高品質(zhì)因數(shù)（Q值）諧振電路會(huì)短路輸出電流諧波，并減少因不可避免的非線性而產(chǎn)生的帶外輻射。請(qǐng)注意，高品質(zhì)因數(shù)諧振電路必然意味著窄帶操作。

波形分析

在分析C類放大器時(shí)，我們做出以下假設(shè)：

1. 輸出電壓可以近似為正弦波形。這需要一個(gè)理想的諧振電路來短路輸出電流的所有高次諧波。

2. 集電極電流波形是正弦波的一部分。這實(shí)際上僅在低頻時(shí)成立。

盡管這些假設(shè)在實(shí)踐中不一定成立，但它們使我們能夠簡化電路分析?？紤]到這一點(diǎn)，讓我們來考察C類放大器的性能。

由于高品質(zhì)因數(shù)（Q值）諧振電路的存在，只有基頻功率才會(huì)實(shí)際傳遞到負(fù)載。因此，為了找到輸出功率，我們需要分析輸出電流波形的頻率成分。通過改變波形的時(shí)間原點(diǎn)，我們可以使分析變得更簡單。圖4是波形關(guān)于垂直軸對(duì)稱的結(jié)果。

上述波形可以用余弦函數(shù)來描述：

利用傅里葉級(jí)數(shù)，我們可以將輸出電流表示為其組成頻率分量的形式：

其中，an表示第n次諧波的傅里葉系數(shù)。為了找到C類放大器的效率和輸出功率，我們只需要電流波形的平均值（a0）和基頻分量（a1）。省去復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，結(jié)果如下，分別由方程4和方程5給出：

和

其中，?等于導(dǎo)通角的一半（? = θc/2）。

圖5繪制了平均分量和基頻分量與導(dǎo)通角的關(guān)系圖。

圖5. 平均分量和基頻分量與導(dǎo)通角的關(guān)系圖

該圖顯示了a0和a1系數(shù)相對(duì)于IM（或等效地，假設(shè)IM為單位1）的歸一化圖。我們稍后會(huì)回到這些結(jié)果。不過，首先讓我們來計(jì)算C類放大器的效率。

C類運(yùn)行的效率

假設(shè)高品質(zhì)因數(shù)諧振器消除了高次諧波分量，則交流輸出電壓可以根據(jù)方程5計(jì)算為：

其中，RL是負(fù)載的電阻。

因此，負(fù)載上獲得的平均功率為：

為了計(jì)算電源提供的功率，我們將從電源中抽取的電流的平均值乘以電源電壓。電流的平均值為a0，因此產(chǎn)生：

從方程7和方程8中，我們可以計(jì)算出效率：

在適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻下，電流的基頻分量會(huì)產(chǎn)生允許的最大電壓擺幅。最大電壓擺幅的幅度為VCC。因此，根據(jù)方程6，當(dāng)滿足以下條件時(shí)，效率達(dá)到最大：

結(jié)合方程10和方程9，我們可以計(jì)算出最大效率為：

最后，將方程4和方程5代入上述方程中，我們得到：

這個(gè)方程在圖6中進(jìn)行了繪制。

圖6. 最大效率與導(dǎo)通角的關(guān)系圖。

示例：為C類放大器選擇最大電流規(guī)格

我們知道，晶體管在可處理的最大電壓和電流水平，以及在不損壞的情況下可承受的最大功率方面都是有限的。確定一個(gè)C類放大器的最大晶體管電流，該放大器在85%的最大效率下向50Ω負(fù)載提供25W的功率。忽略晶體管的飽和效應(yīng)，并假設(shè)電源電壓（VCC）為12V。

輸出電流的基本分量（a1）決定了向負(fù)載提供的功率。根據(jù)方程7，我們有：

在這個(gè)例子中，我們是在最大效率下工作的。因此，我們知道RLa1 = VCC（方程10）。由于VCC = 12V，我們有RLa1 = VCC = 12V。將12V的值代入方程13，我們可以得到基頻分量的幅度：

從圖7中，我們?cè)佻F(xiàn)了最大效率與導(dǎo)通角的關(guān)系圖，觀察到ηmax = 85%對(duì)應(yīng)于θc = 147度。

圖7. 在θc = 147度時(shí)達(dá)到85%的最大效率

在導(dǎo)通角為θc = 147度時(shí)，a1的歸一化值為0.45（圖8）。

圖8. 在θc = 147度時(shí)，歸一化的基頻分量為0.45。

換句話說，我們有：

晶體管應(yīng)能承受的最大電流為9.27A。晶體管所經(jīng)歷的最大電壓為24V，即電源電壓的兩倍（2VCC = 2 × 12V = 24V）。

比較A類、B類和C類操作

接下來，讓我們稍微拓寬一下視野，看看改變導(dǎo)通角如何影響以下性能參數(shù)：

1. 電源功率。

2. 輸出功率。

3. 最大效率。

從電源中抽取的功率如何隨θc變化？

圖5顯示，隨著導(dǎo)通角從360度（A類操作）減少到180度（B類），再到0度，輸出電流的直流分量單調(diào)遞減。

如果我們考慮圖4中的電流波形，這一點(diǎn)是有道理的。較小的導(dǎo)通角意味著電流非零的區(qū)域較小，這也對(duì)應(yīng)于較小的平均值。因此，減小導(dǎo)通角會(huì)降低平均值和從電源中抽取的直流功率。

負(fù)載上獲得的功率如何隨θc變化？

圖5中的基頻分量表現(xiàn)出更有趣的行為。在360度時(shí)，基頻分量值為0.5。隨著我們將導(dǎo)通角從360度減小到180度，基頻分量略有上升。

然而，在180度時(shí)，基頻值再次為0.5。這意味著在相同的晶體管規(guī)格和電源電壓下，A類和B類放大器級(jí)產(chǎn)生相同的最大輸出功率。

那么C類操作區(qū)域呢？如果我們將方程10代入方程7，可以觀察到最大輸出功率與a1成正比。從圖5中可以看出，隨著θc接近零，a1也接近零。因此，C類放大器的輸出功率也降至零。這是C類操作的一個(gè)顯著缺點(diǎn)。

C類放大器效率如何隨θc變化？

在C類工作區(qū)域中，隨著導(dǎo)通角的減小，平均分量和基波分量都會(huì)下降。從公式11中，我們知道最大效率（ηmax）與基波分量與平均值的比值成正比。同時(shí)，通過觀察圖6可以直觀地確認(rèn)，隨著導(dǎo)通角的減小，ηmax增加。當(dāng)導(dǎo)通角趨近于零時(shí)，效率接近100%。

盡管這一結(jié)果初看起來令人振奮，但請(qǐng)注意，對(duì)于相同的輸入功率，C類放大器的輸出功率遠(yuǎn)低于A類或B類放大器。例如，如果一個(gè)配置在C類放大器中產(chǎn)生的功率僅為相同設(shè)備在A類放大器中產(chǎn)生功率的一半，即使其效率高達(dá)95%，其實(shí)用價(jià)值也非常有限。

C類放大器的缺點(diǎn)

C類配置存在幾個(gè)其他局限性：

1. 電流需求大：對(duì)于給定的輸出功率，C類放大器中使用的晶體管必須處理比A類或B類放大器中晶體管更大的電流。隨著我們減小導(dǎo)通角以提高效率，這一問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。

2. 設(shè)備尺寸與帶寬限制：更大的最大電流意味著我們需要更大的設(shè)備，這會(huì)導(dǎo)致較低的匹配帶寬。

3. 非線性特性：C類配置比A類或B類放大器具有更強(qiáng)的非線性特性。

4. 高擊穿電壓要求：C類級(jí)需要具有高擊穿電壓的晶體管。

5. 諧波抑制要求高：與A類或B類放大器相比，C類級(jí)需要更高Q值的諧振電路來抑制諧波分量。