設計一個帶有二次諧波增強的反向F類（Class F）放大器

第二諧波增強放大器的實現與設計方程

在反向F類放大器中，集電極電壓被塑造成半正弦波，而集電極電流呈現方波形式。圖1展示了基本反向F類放大器的電路原理圖。

圖1. 第二諧波增強放大器的電路圖。

正如本系列前一篇文章所述，這種配置被稱為第二諧波增強放大器。然而，我們在討論時主要關注了它產生的波形。在本文中，我們將更深入地研究電路本身。然后，我們將推導出第二諧波增強放大器的基本設計方程，并用它們來完成一個示例。

第二諧波增強放大器的工作原理

正如前一篇文章所指出的，圖1中的原理圖幾乎與三諧波增強F類放大器的原理圖完全相同。唯一的區別在于，L2-C2諧振電路被調諧到第二諧波，而不是第三諧波。L2和C2組件共同在第二諧波處近似呈現開路狀態。然而，在其他諧波頻率下，它們表現得像短路。同樣，基波諧振器（L0和C0）在基波頻率處表現為開路，而在其他所有諧波頻率下有效地將輸出端接地。圖2總結了負載網絡在各個諧波頻率下的阻抗情況。

圖2. 放大器負載網絡在不同諧波頻率下呈現的阻抗。

讓我們進一步擴展這個總結：在基波頻率下，L2-C2諧振電路表現為短路，而L0-C0連接近似為開路。因此，在基波頻率下，負載網絡對晶體管呈現的阻抗為RL。在第二諧波頻率下，L2-C2連接表現為開路。因此，集電極看到的是一個開路。在高于第二諧波的諧波頻率下，兩個諧振電路都表現為短路。因此，負載網絡對晶體管有效地呈現為短路。由于L0-C0諧振回路將所有非基波電流分量短路，因此RL兩端的電壓是一個正弦波形。L2-C2諧振回路兩端的電壓在第二諧波頻率下是一個正弦信號，因為L2-C2連接在該頻率下對輸出電流呈現高阻抗。由于集電極電壓是負載（RL）電壓和L2-C2諧振回路電壓的總和，因此在集電極電壓中加入了一個第二諧波分量。

集電極電壓和電流波形

反向F類放大器的目標波形如圖3所示。

圖3. 理想反向F類放大器中的集電極電壓（上）和電流（下）波形。

如上所示，集電極電流是一個方波。為了產生這種波形，第二諧波增強級需要一個方波驅動信號。與此同時，目標集電極電壓波形是一個半正弦波。由于只包含第二諧波，第二諧波增強放大器生成的集電極電壓只能近似于這種波形。集電極電壓可以表示為：

方程1.

為了得到盡可能平坦的波形，基波和第二諧波應該滿足以下條件：

方程2.

圖4繪制了第二諧波增強放大器的最大平坦集電極電壓波形。

圖4. 第二諧波增強放大器的最大平坦集電極電壓波形。

圖4. 第二諧波增強放大器的最大平坦集電極電壓以藍色顯示。

對于第二諧波增強放大器，最小集電極電壓為地（即0伏）。然而，最大平坦電壓波形可以達到一個峰值為：

方程3.

計算輸出功率現在我們已經確定了基波電壓分量的幅度，讓我們計算傳遞給負載的平均功率：

方程4.

這個輸出功率大約比B類放大器的輸出功率大78%，B類放大器的輸出功率由以下方程給出：

方程5.

為了計算放大器的效率，我們需要確定輸出功率（由方程4給出的PL
）和從電源汲取的功率（Pcc）。為了計算電源提供的功率，我們找到從電源汲取的電流的平均值（Ic,ave）并將其乘以電源電壓：

方程6.

如圖3所示，集電極電流是一個在0和Icp之間切換的方波。通過使用傅里葉級數表示，可以通過其頻率分量的總和來表示通過晶體管的方波電流：

方程7.

傅里葉級數表示顯示，從電源汲取的直流電流為 0.5Icp。因此，方程6產生：

方程8.

我們可以應用方程4和方程8來確定放大器的效率，但只有在我們建立了Icp和 Vcc之間的關系之后才能做到這一點。從方程7中，我們觀察到基波分量的幅度是 2Icp/π。這個電流通過負載(RL)，導致基波電壓幅度為  A1 = 4Vcc/3。從這一點，我們推斷出以下關系：

方程9.

結合方程8和方程9，放大器的供電功率為：

方程10.

最后，我們使用方程4和方程10來計算效率：

方程11.

重要的是要注意，效率和輸出功率并不能完全評估功率放大器的性能。例如，B類放大器的集電極峰值電壓是2Vcc。在我們考察的反向F類放大器中，它是 2.67Vcc。這意味著第二諧波增強放大器的高輸出功率是以晶體管上更大的電壓應力為代價實現的。輸出功率能力
為了在考慮晶體管上的電壓和電流應力的同時評估輸出功率，我們使用一個稱為輸出功率能力的參數。對于功率放大器，這個參數定義為：

方程12.

其中：PL,max 是最大輸出功率

Ic,max是最大集電極電流

Vc,max 是最大集電極電壓

N 是放大器中的晶體管數量。輸出功率能力是在器件具有1V的峰值集電極電壓和1A的峰值集電極電流時產生的輸出功率。注意到輸出功率等于Pcc 乘以效率（η），我們可以將方程12重寫為：

方程13.

正如我們在方程3中看到的，第二諧波增強放大器的最大平坦電壓波形的峰值為 8Vcc/3。我們還從方程7知道，平均集電極電流與其最大值的比值為0.5。將這些值代入方程13，我們得到：

方程14.

通過比較，B類放大器的輸出功率能力為 Cp = 0.125。這表明，對于相同的晶體管規格，反向F類放大器提供了更高的輸出功率。