Class F功率放大器简介

这篇文章探讨了Class F工作原理的基础，并介绍了三次谐波峰值Class F放大器。到目前为止，这一系列文章已经涵盖了五种不同的功率放大器类别：A类、B类、C类、D类和E类。我们现在准备好讨论第六种，即Class 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Class F放大器的电路图。

图1. 三次谐波峰值Class F放大器的电路图。

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

图2. 单晶体管Class B放大器的电路图。

如您所见，这两个电路非常相似。唯一的区别是包含了一个额外的谐振电路。Class F放大器通过使用多个调谐到信号谐波的谐振电路来塑造其电压波形。多谐振负载网络在晶体管电流高时保持晶体管两端的电压低，从而产生方波。

要理解这如何提高效率，我们首先需要退一步来看看Class B放大器的功率损耗。完成这一点后，我们将准备好讨论Class F操作是如何改进它的。

Class B放大器中的功率损耗

前一节中的Class B和Class F电路都包含一个单晶体管。由于在功率放大器设计中实现高效率是最重要的，因此最小化晶体管的功率损耗至关重要。晶体管内的功率损耗意味着电路从电源消耗功率但没有将其传输到负载。相反，功率浪费在晶体管本身内，降低了效率。

为了更好地理解Class B晶体管的功率损耗，让我们检查其集电极处的电压和电流波形。图3的顶部显示了理想Class B放大器的集电极电流波形。底部显示了集电极电压的波形。

图3. 理想Class B放大器的集电极电流（顶部）和集电极电压（底部）。

在Class B放大器中，晶体管偏置在其导通点略下方，并由输入信号的正半周期驱动进入导通状态。因此，集电极电流是一个富含不同谐波的半波整流正弦波。

如图3的底部所示，Class B放大器的输出电压是基频上的正弦波。为了忠实地再现输入信号，负载网络在基频上使用一个高Q值的谐振电路。该电路短路了谐波成分，产生了我们看到的正弦波。

从图3可以看出，晶体管在其OFF半周期内不消耗任何功率——例如，从t = T/2到t = T的时间间隔内，因为在这段时间内没有电流流过晶体管。

在ON半周期（t = 0到t = T/2）期间，晶体管电流和电压均非零，表明晶体管在此期间有功率损耗。幸运的是，随着电流增加，集电极电压会降低。从效率角度来看，这是有利的——如果放大器的集电极电压在ON半周期内保持较大的恒定值，则其功率损耗将显著高于Class B放大器。换句话说，在ON半周期内增加Class B放大器的集电极电压波形会降低效率。

Class F操作的基本思想是通过相反的操作来提高效率——即在ON半周期内降低电压而不是增加它。让我们在下一节进一步讨论这一点。

理解Class F操作

图4显示了Class F放大器的集电极电流和电压波形。我们可以从底部图中看到，在晶体管的ON半周期内，它的电压波形比Class B放大器更低。当晶体管导通时电压较低意味着较小的电流-电压乘积，这反过来意味着晶体管消耗的功率更少。

图4. 边缘更锐利的集电极电压波形可以减少晶体管中的功率损耗。

当集电极电压接近矩形波形时，它可以减少电压和电流的乘积。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过渡更加锐利，并平坦其峰值和谷值。我们可以通过向晶体管两端的电压添加适当幅度和相位的谐波成分来实现这一点。

图1中的Class F电路，即所谓的三次谐波峰值放大器，是这一想法的一种常见实现方式。顾名思义，它是通过添加一个三次谐波成分来实现所需的电压波形。我们将在本系列的下一篇文章中详细研究该电路本身。目前，让我们借助一些电压图来讨论其基本原理。

第三次谐波峰值Class F放大器的基本原理

本质上，第三次谐波峰值放大器是在Class B放大器上添加了一个三次谐波成分。回顾图3，我们可以将理想Class B放大器的集电极电压表示为：

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

接下来，我们考虑一个幅度为 A3 的三次谐波分量：

如果我们从 vB（基波电压）中减去 v3（三次谐波电压分量），新的集电极电压可以表示为：

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）的比值，因此这对应于 x = 0.05。

图5展示了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分量的总电压（蓝色）在A1 = Vcc = 1V且x = 0.05时的情况。

根据方程1至3定义的电压波形，基波和谐波之间的相位差使得基波的波谷与三次谐波的波峰对齐，同样，基波的波峰与三次谐波的波谷对齐。因此，总的或称为F类电压(vF)在其波峰和波谷周围比没有三次谐波分量的原始波形(vB)更加平坦。

上述波形表明，通过两个频率成分间适当的相位差，我们可以使用三次谐波分量来展平电压波形。还需注意的是，虽然基波分量具有2A1 = 2Vcc的峰峰值摆幅，但复合波形vF的峰峰值摆幅大约为0.05V到1.95V。添加三次谐波分量减小了复合波形的峰峰值摆幅。

图5中的集电极电压曲线并未完全利用可用的摆动范围（0到2Vcc）。为了充分利用潜在的摆动范围，我们需要增加基波分量的输入功率。图6显示了Vcc = 1V，A1 = 1.053V，A3 = 0.053V时的波形。这些值，如同前面的例子一样，对应于x = 0.05。

这个分析说明了如何通过调整谐波分量的幅度和相位，特别是引入三次谐波分量，可以在一定程度上优化电压波形，使其更加高效和平坦。这对于提高放大器效率和性能是至关重要的。同时，这也强调了精确控制这些参数的重要性，以便最大化地利用电源电压的摆动范围，从而提升整体系统性能。

图6展示了在Vcc = 1V，A1 = 1.053V，且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），以及包含基波和三次谐波分量的总电压（蓝色）。

对于给定的摆动范围，我们可以得出结论：添加三次谐波允许我们增加基波分量（A1）。这反过来又增加了在基波分量上输送到负载的功率。

在上述例子中，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类放大器相比，带有三次谐波峰值的F类放大器的输出功率提高了大约11%。

增加三次谐波幅度会怎样？

图7说明了当三次谐波分量的不同水平变化时，总电压波形（vF）如何变化。

图7展示了在A1 = Vcc = 1V时，总集电极电压（vF）随x从0.05变化到0.25的情况。

随着x值的变化

当我们从0.05增加x到大约0.1时，总电压在其波峰和波谷处变得更加平坦。然而，如果x超过0.1，波形中会出现一些波动。

总结

根据我们目前所学的内容，最优的三次谐波值似乎是将集电极电压塑造成方波的那个值。然而，在本系列的下一篇文章中，我们将继续讨论带有三次谐波峰值的F类放大器，并会看到实际情况并非如此简单。尽管如此，这种放大器仍然表现出远高于B类放大器的效率和输出功率。

所有使用的图像均 courtesy of Steve Arar。