逆F類功率放大器簡介

  以二次諧波峰值放大器為例，我們探討逆F類放大的基本原理。 

F類放大是一種成熟的技術，通過諧波調諧來提高放大器的性能。在F類放大器中，奇次諧波被添加到集電極電壓上，使其形成方波。集電極電流則理想情況下是一個半正弦波，包含基波和偶次諧波。 

逆F類放大器，也稱為F-1類放大器，交換了這些波形的形狀。集電極電流為方波，集電極電壓為半正弦波。在本文中，我們將研究該系列中最簡單的成員：具有二次諧波峰值的逆F類放大器（圖1）。 

圖1 具有二次諧波峰值的F-1類放大器

如圖所示，該電路與三次諧波峰值的F類放大器相同。區別在于紫色所示的諧振電路——在F類放大器中，它將被調諧到三次諧波而不是二次諧波。 

逆F類放大器的波形 

理想逆F類放大器的集電極波形如圖2所示。在實際中，我們只能近似實現這些波形。 

圖2  理想逆F類放大器的集電極電壓（上）和電流（下）波形 

在上圖中，當電流較高時，晶體管兩端的電壓為零。理想F類放大器也是如此（圖3）。 

圖3 理想F類放大器的集電極電壓（上）和電流（下）波形

在這兩種情況下，目標都是通過盡可能減少電流-電壓乘積來提高放大器的效率和輸出功率。 

我們知道，F類放大器通過添加奇次諧波分量來產生圖3頂部的方波電壓。為了產生方波集電極電流，逆F類放大器只需在晶體管的輸入端使用方波驅動信號。但它如何將集電極電壓塑造成圖2中的半正弦波呢？讓我們一探究竟。 

電壓波形的塑造 

我們首先考慮一些未經整形的波形。如果從圖1中移除L2-C2諧波諧振器，剩下的基本上是一個單晶體管B類放大器（圖4）。 

圖4 單晶體管B類放大器 

在沒有諧波的情況下，B類放大器的集電極電壓是一個偏移的正弦波。圖5展示了這一點以及理想的集電極電流。 

圖5 理想B類放大器的集電極電流（上）和電壓（下）波形 

我們的目標是將這個電壓波形塑造成半正弦波。為了簡化分析，我們將時間原點設置在電壓波形的谷底。這將產生圖6中的波形。 

圖6 調整時間原點后的B類電流和電壓波形 

在這種情況下，集電極電壓可以表示為： 

公式1  

圖6中的電壓波形對應于最大擺幅條件（A1 = Vcc）。考慮到這一點，定義一個二次諧波電壓為： 

公式2  

如果我們將v2加到vB上，新的集電極電壓為： 

公式3  

其中x定義為二次諧波分量與基波分量的比值（x = A2/A1）。 

圖7繪制了A1 = Vcc = 1 V和A2 = 0 2 V（x = 0 2）時的vB、v2和vF。 

圖7  B類放大器的集電極電壓波形（紅色）、二次諧波分量（洋紅色）以及通過添加二次諧波分量得到的復合波形（藍色）

請注意，基波和二次諧波之間的相位差被選擇為使vB的峰值和谷值與二次諧波波形（v2）的峰值對齊。 

考慮vB在t = T/2時的峰值點。此時，公式3簡化為Vcc + A1 + A2。兩個交流項均為正，這提升了復合波形（vF）的峰值，使其超過原始信號（vB）的峰值。 

在t = 0這樣的谷值點，公式3簡化為Vcc – A1 + A2。由于交流項在此點具有相反的極性，它們的效果相互抵消。結果是在t = 0附近形成一個平坦的復合波形。 

這表明，具有適當相位的二次諧波可以提升電壓波形的峰值并使其谷值平坦。由于電壓波形的谷值對應于集電極電流的峰值，這可以減少晶體管內的功率損耗。 

上述討論表明，引入二次諧波可以產生一個近似半正弦波的復合波形。在我們繼續之前，請注意，雖然原始信號的擺幅為0到2Vcc，但復合波形的擺幅為0 2 V到2Vcc + 0 2 = 2 2 V。通過為A1和A2設置適當的值，我們將較低的電壓擺幅限制回地電平。 

選擇合適的二次諧波分量 

圖8展示了如果我們引入不同值的二次諧波分量，總電壓波形（vF）將如何變化。 

圖8  對于A1 = Vcc = 1 V和x從0到0 4變化時，通過添加二次諧波分量得到的復合波形

隨著x（A2與A1的比值）從0 1增加到約0 3，總電壓在其谷值附近變得更加平坦。當x超過0 3時，波形中會出現一些紋波。基于此，二次諧波分量的最佳值是多少？ 

首先，我們需要定義“最佳”。我們可以使用兩種不同的標準： 

1  產生最大平坦的電壓波形。 

2  產生最大效率。 

第一種方法在集電極電流較高時保持集電極電壓盡可能低。然而，事實證明，這種波形并不能產生最佳效率——為此，我們需要少量的紋波。 

以下是產生最大平坦和最大效率波形的條件。我們暫時跳過詳細的數學分析。 

當集電極電壓最大平坦時： 

公式4

在此條件下，并將最小集電極電壓設為零，我們得到A1和A2的絕對值與電源電壓的關系： 

公式5

同時，最大效率在以下條件下實現： 

公式6

在此條件下，并將最小集電極電壓保持在地電平，得到以下關系： 

公式7

圖9繪制了最大平坦和最大效率情況下的集電極電壓。 

圖9  x = 0（紅色）、最大平坦（藍色）和最大效率（綠色）情況下的集電極電壓波形

請注意，將二次諧波電壓引入集電極電壓波形后，產生了近似的半正弦波。 

總結 

逆F類放大器通過使用方波集電極電流并將集電極電壓塑造成半正弦波來最小化功率損耗。在二次諧波峰值放大器的情況下，半正弦波形通過引入二次諧波分量來產生（或至少近似產生）。我們將在下一篇文章中更詳細地研究這種配置并推導其設計方程。