這篇文章探討了Class F工作原理的基礎(chǔ)，并介紹了三次諧波峰值Class F放大器。到目前為止，這一系列文章已經(jīng)涵蓋了五種不同的功率放大器類別：A類、B類、C類、D類和E類。我們現(xiàn)在準(zhǔn)備好討論第六種，即Class 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)來提高效率和輸出功率。圖1顯示了基本Class F放大器的電路圖。

圖1. 三次諧波峰值Class F放大器的電路圖。

這種配置被稱為三次諧波峰值Class F放大器。為了便于比較，圖2顯示了單晶體管Class B放大器的電路圖。

圖2. 單晶體管Class B放大器的電路圖。

如您所見，這兩個(gè)電路非常相似。唯一的區(qū)別是包含了一個(gè)額外的諧振電路。Class F放大器通過使用多個(gè)調(diào)諧到信號(hào)諧波的諧振電路來塑造其電壓波形。多諧振負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在晶體管電流高時(shí)保持晶體管兩端的電壓低，從而產(chǎn)生方波。

要理解這如何提高效率，我們首先需要退一步來看看Class B放大器的功率損耗。完成這一點(diǎn)后，我們將準(zhǔn)備好討論Class F操作是如何改進(jìn)它的。

Class B放大器中的功率損耗

前一節(jié)中的Class B和Class F電路都包含一個(gè)單晶體管。由于在功率放大器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)高效率是最重要的，因此最小化晶體管的功率損耗至關(guān)重要。晶體管內(nèi)的功率損耗意味著電路從電源消耗功率但沒有將其傳輸?shù)截?fù)載。相反，功率浪費(fèi)在晶體管本身內(nèi)，降低了效率。

為了更好地理解Class B晶體管的功率損耗，讓我們檢查其集電極處的電壓和電流波形。圖3的頂部顯示了理想Class B放大器的集電極電流波形。底部顯示了集電極電壓的波形。

圖3. 理想Class B放大器的集電極電流（頂部）和集電極電壓（底部）。

在Class B放大器中，晶體管偏置在其導(dǎo)通點(diǎn)略下方，并由輸入信號(hào)的正半周期驅(qū)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。因此，集電極電流是一個(gè)富含不同諧波的半波整流正弦波。

如圖3的底部所示，Class B放大器的輸出電壓是基頻上的正弦波。為了忠實(shí)地再現(xiàn)輸入信號(hào)，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在基頻上使用一個(gè)高Q值的諧振電路。該電路短路了諧波成分，產(chǎn)生了我們看到的正弦波。

從圖3可以看出，晶體管在其OFF半周期內(nèi)不消耗任何功率——例如，從t = T/2到t = T的時(shí)間間隔內(nèi)，因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)沒有電流流過晶體管。

在ON半周期（t = 0到t = T/2）期間，晶體管電流和電壓均非零，表明晶體管在此期間有功率損耗。幸運(yùn)的是，隨著電流增加，集電極電壓會(huì)降低。從效率角度來看，這是有利的——如果放大器的集電極電壓在ON半周期內(nèi)保持較大的恒定值，則其功率損耗將顯著高于Class B放大器。換句話說，在ON半周期內(nèi)增加Class B放大器的集電極電壓波形會(huì)降低效率。

Class F操作的基本思想是通過相反的操作來提高效率——即在ON半周期內(nèi)降低電壓而不是增加它。讓我們在下一節(jié)進(jìn)一步討論這一點(diǎn)。

理解Class F操作

圖4顯示了Class F放大器的集電極電流和電壓波形。我們可以從底部圖中看到，在晶體管的ON半周期內(nèi)，它的電壓波形比Class B放大器更低。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)電壓較低意味著較小的電流-電壓乘積，這反過來意味著晶體管消耗的功率更少。

圖4. 邊緣更銳利的集電極電壓波形可以減少晶體管中的功率損耗。

當(dāng)集電極電壓接近矩形波形時(shí)，它可以減少電壓和電流的乘積。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過渡更加銳利，并平坦其峰值和谷值。我們可以通過向晶體管兩端的電壓添加適當(dāng)幅度和相位的諧波成分來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

圖1中的Class F電路，即所謂的三次諧波峰值放大器，是這一想法的一種常見實(shí)現(xiàn)方式。顧名思義，它是通過添加一個(gè)三次諧波成分來實(shí)現(xiàn)所需的電壓波形。我們將在本系列的下一篇文章中詳細(xì)研究該電路本身。目前，讓我們借助一些電壓圖來討論其基本原理。

第三次諧波峰值Class F放大器的基本原理

本質(zhì)上，第三次諧波峰值放大器是在Class B放大器上添加了一個(gè)三次諧波成分?；仡檲D3，我們可以將理想Class B放大器的集電極電壓表示為：

其中，A1 是基波電壓分量的幅度。圖3中的電壓波形對(duì)應(yīng)于最大輸出擺幅（A1 = Vcc）。

接下來，我們考慮一個(gè)幅度為 A3 的三次諧波分量：

如果我們從 vB（基波電壓）中減去 v3（三次諧波電壓分量），新的集電極電壓可以表示為：

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）的比值，因此這對(duì)應(yīng)于 x = 0.05。

圖5展示了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分量的總電壓（藍(lán)色）在A1 = Vcc = 1V且x = 0.05時(shí)的情況。

根據(jù)方程1至3定義的電壓波形，基波和諧波之間的相位差使得基波的波谷與三次諧波的波峰對(duì)齊，同樣，基波的波峰與三次諧波的波谷對(duì)齊。因此，總的或稱為F類電壓(vF)在其波峰和波谷周圍比沒有三次諧波分量的原始波形(vB)更加平坦。

上述波形表明，通過兩個(gè)頻率成分間適當(dāng)?shù)南辔徊?，我們可以使用三次諧波分量來展平電壓波形。還需注意的是，雖然基波分量具有2A1 = 2Vcc的峰峰值擺幅，但復(fù)合波形vF的峰峰值擺幅大約為0.05V到1.95V。添加三次諧波分量減小了復(fù)合波形的峰峰值擺幅。

圖5中的集電極電壓曲線并未完全利用可用的擺動(dòng)范圍（0到2Vcc）。為了充分利用潛在的擺動(dòng)范圍，我們需要增加基波分量的輸入功率。圖6顯示了Vcc = 1V，A1 = 1.053V，A3 = 0.053V時(shí)的波形。這些值，如同前面的例子一樣，對(duì)應(yīng)于x = 0.05。

這個(gè)分析說明了如何通過調(diào)整諧波分量的幅度和相位，特別是引入三次諧波分量，可以在一定程度上優(yōu)化電壓波形，使其更加高效和平坦。這對(duì)于提高放大器效率和性能是至關(guān)重要的。同時(shí)，這也強(qiáng)調(diào)了精確控制這些參數(shù)的重要性，以便最大化地利用電源電壓的擺動(dòng)范圍，從而提升整體系統(tǒng)性能。

圖6展示了在Vcc = 1V，A1 = 1.053V，且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），以及包含基波和三次諧波分量的總電壓（藍(lán)色）。

對(duì)于給定的擺動(dòng)范圍，我們可以得出結(jié)論：添加三次諧波允許我們增加基波分量（A1）。這反過來又增加了在基波分量上輸送到負(fù)載的功率。

在上述例子中，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，與B類放大器相比，帶有三次諧波峰值的F類放大器的輸出功率提高了大約11%。

增加三次諧波幅度會(huì)怎樣？

圖7說明了當(dāng)三次諧波分量的不同水平變化時(shí)，總電壓波形（vF）如何變化。

圖7展示了在A1 = Vcc = 1V時(shí)，總集電極電壓（vF）隨x從0.05變化到0.25的情況。

隨著x值的變化

當(dāng)我們從0.05增加x到大約0.1時(shí)，總電壓在其波峰和波谷處變得更加平坦。然而，如果x超過0.1，波形中會(huì)出現(xiàn)一些波動(dòng)。

總結(jié)

根據(jù)我們目前所學(xué)的內(nèi)容，最優(yōu)的三次諧波值似乎是將集電極電壓塑造成方波的那個(gè)值。然而，在本系列的下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論帶有三次諧波峰值的F類放大器，并會(huì)看到實(shí)際情況并非如此簡單。盡管如此，這種放大器仍然表現(xiàn)出遠(yuǎn)高于B類放大器的效率和輸出功率。

所有使用的圖像均 courtesy of Steve Arar。