F 類放大器可以被認為是 B 類放大器的特殊變體。與 B 類放大器的線性作不同，它以開關(guān)的形式驅(qū)動其晶體管。F 類放大器還修改負載網(wǎng)絡(luò)在諧波頻率下的阻抗，以調(diào)整晶體管兩端的電壓波形。當(dāng)集電極電流較高時，添加適量的不同諧波成分可使集電極電壓盡可能低。

在上一篇文章中，我們看到，使用三次諧波分量來產(chǎn)生平坦的波形，可以將放大器的效率從 78.5%（在 B 類放大器中）提高到 88.4%（在三次諧波峰值 F 類放大器中）。術(shù)語 “maximally flat” 是指波形的導(dǎo)數(shù)在其峰值處為零的事實。

然而，事實證明，平坦的波形并不能產(chǎn)生效率。在本文中，我們將探討如何允許電壓波形具有少量紋波，從而進一步提高三次諧波峰值放大器的效率。

試驗集電極電壓波形

三次諧波峰值 F 類放大器的集電極電壓波形可以表示為：

$$\begin{eqnarray}v_{F} ~&=&~ V_{cc} ~-~A_1 \sin（\omega t）~-~A_3 \sin（3 \omega t） \\~&=&~V_{cc} ~-~A_1 \Big （\sin（\omega t）~+~x ~\times~ \sin（3 \omega t） \Big ）\end{eqnarray}$$

方程 1.

哪里：

一個3是三次諧波分量

一個1是基本組件

x 是三次諧波分量與基波分量的比率 （x = A3/一個1).

當(dāng) x 的值小于或等于 1/9 時，波形顯示單個峰值和一個波谷。在 x = 1/9 時，可實現(xiàn)平坦波形。當(dāng) x 超過 1/9 時，波形開始過沖并呈現(xiàn)雙峰。

為了說明這一點，圖 1 顯示了 F 類集電極電壓波形 （vF） 表示 A1 = V抄送= 1 V 和 x 的三個不同值：

x = 0 （紅色曲線）。

x = 1/9（藍色曲線）。

x = 1/7（綠色曲線）。

由于 A1= 1 V，我們也可以將圖 1 中的波形視為代表三次諧波分量不同值的總集電極電壓。

x 的三個值的 F 類集電極電壓波形。

圖 1.A 的總集電極電壓 1 = V抄送 = 1 V 且 x = 0、1/9 和 1/7。

正如我們在之前的文章中所討論的，添加三次諧波分量可減小vF.這在上圖中清楚地說明——沒有三次諧波的紅色曲線從 0 到 2 V （2V抄送).相比之下，藍色曲線（x = 1/9，平坦波形）在 0.11 V 至 1.89 V 范圍內(nèi)擺動。

F 類作的這一關(guān)鍵特性允許我們使用超過電源電壓設(shè)置的正常擺幅限制的基頻分量。然后，我們可以增加基頻的輸入功率，以充分利用潛在擺幅，從而為負載提供更大的功率。

這讓我們看到了綠色曲線，它使用的三次諧波大于平坦波形的三次諧波，并且似乎具有更小的峰峰值擺幅。圖 2 提供了曲線的放大視圖，以便我們可以更好地看到波形的減小擺動。

三個不同 x 值的電壓擺幅的放大視圖。

圖 2.A 總集電極電壓的放大視圖 1 = V抄送 = 1 V 且 x = 0、1/9 和 1/7。

圖 1 和圖 2 表明，電壓波形中的少量紋波可能允許我們增加基波元件的功率。反過來，這可以通過增加傳遞給負載的功率來提高放大器的性能。

但是，“少量”是多少呢？在下一節(jié)中，我們將推導(dǎo)出具有效率的三次諧波峰化 F 類放大器的方程式。然而，在深入研究之前，讓我們通過將 x 調(diào)整為 1/4 來對這些波形進行測試。新波形在圖 3 中以青色顯示。

新的、更高的 x 值的電壓擺幅。

圖 3.A 總集電極電壓的放大視圖 1 = V抄送 = 1 V 且 x = 0、1/9、1/7 和 1/4。

同樣，增加 x 的值會導(dǎo)致峰值超過平坦波形的峰值。這證實了 x 必須存在一個能使效率化的值，并且該值大于 1/9（平坦波形的值）。

推導(dǎo)效率方程

圖 4 顯示了三次諧波尖化 F 類放大器的電路圖。為了找到該放大器的 x 值，我們需要了解波形的峰峰值擺幅如何影響放大器的效率。

三次諧波峰值 F 類放大器的電路圖。

圖 4.三次諧波峰值 F 類放大器。

回想一下，功率放大器的效率定義為：

$$\eta ~=~ \frac{P_L}{P_{cc}}$$

方程 2.

哪里：

PL是輸送到負載的平均功率

P抄送是從電源獲取的功率。

輸送到負載的功率為：

$$P_L~=~\frac{1}{2}v_o i_o$$

方程 3.

哪里vo和我o分別是負載兩端的電壓和通過負載的電流的幅度。

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 （我c，ave） 并將其乘以電源電壓 （V抄送):

$$P_{cc} ~=~ V_{cc} I_{c，ave}$$

方程 4.

將公式 3 和 4 代入效率公式中，我們得到：

$$\eta ~=~ \frac{1}{2} ~\times~ \frac{v_o}{V_{cc}} ~\times~ \frac{i_o}{I_{c， ave}}$$

方程 5.

F 類放大器的導(dǎo)通角通常設(shè)置為 180 度，與 B 類放大器一樣。導(dǎo)通角為 180 度時，我們可以假設(shè)集電極電流是振幅的半波整流正弦波我p和周期 T，如圖 5 所示。

導(dǎo)通角為 180 度的集電極電流波形。

圖 5.集電極電流是半波整流正弦波。

使用傅里葉級數(shù)表示法，上述波形可以表示為：

$$i_{out（t）}~=~\frac{I_p}{\pi}~+~\frac{I_p}{2} \sin （\omega_0 t）~-~\frac{2I_p}{3 \pi} \cos（2 \omega_0t）~-~\frac{2I_p}{15 \pi} \cos（4 \omega_0t）~+~...$$

方程 6.

使用上述方程式，我們可以建立從電源汲取的直流電流和通過負載的基波電流的關(guān)系：

$$I_{c， ave} ~=~ \frac{I_p}{\pi} \quad \text{and} \quad i_o ~=~ \frac{I_p}{2}$$

方程 7.

我們不知道我p在上述方程式中。但是，我們現(xiàn)在有足夠的信息來簡化效率方程（方程 5），從而得出：

$$\eta ~=~ \frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{v_o}{V_{cc}}$$

方程 8.

我們將在下一節(jié)中了解有關(guān)上述方程的更多信息。

評估效率方程

公式 8 建立了輸出電壓擺幅與放大器效率之間的簡單關(guān)系。該方程的基本假設(shè)是導(dǎo)通角為 180 度，這意味著集電極電壓波形是半波整流正弦波。因此，該公式應(yīng)該對 B 類放大器和平坦的 F 類放大器都有效。

讓我們檢查一下這種說法的真實性。B 類放大器中輸出擺幅的幅度為vo = V抄送.將其應(yīng)用于公式 8，B 類放大器的效率計算出其廣為人知的值 π/4，計算如下：

$$\eta ~=~ \frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{v_o}{V_{cc}}~=~\frac{\pi}{4}~=~78.5 \ \%$$

方程 9.

對于平坦的 F 類放大器，集電極電壓方程（方程 1）的參數(shù)為 x = 1/9 和 A1= 9V抄送/8.因此，效率方程簡化為：

$$\eta ~=~ \frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{v_o}{V_{cc}}~=~\frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{9}{8}~=~88.4 \ \%$$

方程 10.

這與上一篇文章中提供的分析一致。

三次諧波峰值 F 類放大器的效率

現(xiàn)在我們已經(jīng)確認了新效率方程的有效性，讓我們使用它。公式 8 表明，當(dāng)輸出電壓擺幅與電源電壓之比 （vo/V抄送） 也被化。輸出擺幅由基波分量的幅度 （A1).因此，對于給定的電源電壓，我們需要找到三次諧波 （A3），這允許我們化 A1.

我們將跳過此處的詳細數(shù)學(xué)分析，直接概述實現(xiàn)效率的條件。在以下情況下，三次諧波峰值放大器的效率：

$$x~=~ \frac{1}{6}~\approx~ 0.1667$$

方程 11.

其中 x = A3/一個1.在這種情況下，將集電極電壓等于零 （vF= 0），我們得到 A 的1和 A3就電源電壓而言：

$$A_1 ~=~ \frac{2}{\sqrt{3}} ~\times~ V_{cc}$$

方程 12.

和：

$$A_3 ~=~ \frac{1}{3 \sqrt{3}} ~\times~ V_{cc}$$

方程 13.

圖 6 繪制了效率電壓波形。為了進行比較，還包括 x = 0 的波形。

效率三次諧波峰值 F 類放大器的集電極電壓波形。

圖 6.綠色曲線顯示了效率放大器 （A1 = V抄送 = 1 V，x = 1/6）。

方程 12 建立了 A 之間的關(guān)系1和V抄送用于效率的三次諧波峰值放大器。將此方程與我們之前推導(dǎo)出的效率方程（方程 8）相結(jié)合，我們現(xiàn)在可以確定可實現(xiàn)的效率：

$$\eta ~=~ \frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{v_o}{V_{cc}}~=~ \frac{\pi}{4} ~\times~ \frac{2}{\sqrt{3}}~=~90.7 \ \%$$

方程 14.

在增加電壓紋波的情況下，三次諧波峰值 F 類放大器的效率為 90.7%。

示例：設(shè)計三次諧波峰值放大器以實現(xiàn)效率

具有三次諧波峰值的 F 類放大器旨在實現(xiàn)效率。對于輸出功率PL= 10 W 和電源電壓V抄送= 12 V，請確定以下內(nèi)容：

負載電阻 （RL).

晶體管必須承受的電流和電壓。

我們可以使用放大器輸出功率的方程來求負載電阻 （RL).輸出功率可通過以下方式找到：

$$P_L~=~ \frac{v_{o， rms}^2}{R_L}~=~ \frac{1}{2}\frac{ A_1^2}{R_L} \quad \rightarrow \quad P_L ~=~ \frac{2}{3} ~\times~ \frac{V_{cc}^2}{R_L}$$

方程 15.

在上面的等式中，我們代入了 A 的值1來自公式 12。跟PL= 10 W 和V抄送= 12 V，我們獲得RL= 9.6 Ω.

集電極電壓為 2V抄送，在本例中為 = 24 V。要確定集電極電流 （我p），我們注意到基波集電極電流的幅度為我p/2.該電流流入負載 （RL） 并產(chǎn)生 \（A_1 ~=~ （\frac{2} {\sqrt3}）V_{cc}\） 的基波電壓幅值。因此，我們擁有：

$$\frac{I_p}{2} ~\times~ R_L ~=~\frac{2}{\sqrt{3}} V_{cc} \quad \quad \rightarrow \quad I_p ~=~ \frac{4}{\sqrt{3}} ~\times~ \frac{V_{cc}}{R_L}$$

方程 16.

將我們的示例值代入此方程式，我們得到我p= 2.89 安培。