C类功率放大器简介

本文研究了C类功率放大器的操作，以及它与A类和B类功率放大器之间的比较。

几十年来，已经开发了各种功率放大器拓扑结构来满足不同应用的目标。一些功率放大器类，包括我们将要讨论的那些，是根据它们的导通角（θc）定义的。导通角表示放大器RF晶体管导通的输入周期的分数。

本系列前面的文章讨论了A类和B类放大器。对于a类放大器，晶体管始终处于导通状态。因此，放大器的导通角为360度。在B类放大器中，晶体管仅在信号周期的一半时间内导通，因此导通角为180度。

我们了解到，减小导通角使我们能够将效率从a类放大器的50%提高到B类放大器的78.5%。但是，如果我们进一步减小传导角，效率会发生什么变化呢？

导通角低于180度的功率放大器被称为C类放大器。在本文中，我们将研究C类放大器的操作，并探讨较低导通角减小对各种功率放大器性能参数的影响。我们将以一个经典的统一分析来结束，该分析比较了a类、B类和C类放大器的性能。

C类放大器中的电流和电压波形

在C类放大器中，晶体管的导通时间不到输入周期的一半。在窄脉冲的刺激下，晶体管在输出端产生短电流脉冲。图1中的橙色曲线显示了导通角θC的C类放大器的集电极电流的一个周期。

具有导通角θC的C级电流波形。

图1。具有导通角θC的C级电流波形。图片由Steve Arar提供

我们可以在上面看到，当晶体管处于活动状态时，输出电流是一段正弦曲线，而当晶体管处于截止状态时为零。全正弦波（上面的蓝色曲线）具有IQ的负偏移和IRF的振幅。直流偏移IQ类似于线性放大器中的偏置电流，但在C类放大器中为负。因此，输出电流可以用以下表达式来描述：

方程式1。

其中θ对应于水平轴上的位置。

通过改变IQ，我们也可以产生A类和B类放大器的波形。例如，IQ=0导致导通角为180度（B类）。因此，我们可以使用上述波形来检查所讨论的所有三种放大器类别（A、B和C）的性能。

图2比较了接近完美的A类、B类和C类放大器的晶体管电流和输出电压波形。

A、B和C类放大器的电流和电压波形。

图2:a、b和C类放大器的电流（a）和电压（b）波形。图片由George Vendelin提供

A类放大器的晶体管电流和输出电压波形都是正弦曲线。尽管晶体管电流在B级和C级中只是正弦曲线的一部分，但对于这些操作模式，输出电压也可以近似为正弦曲线。这是由于在B类和C类放大器的输出端存在一个高Q槽，我们将在下一节中看到。

C类放大器示意图

图3显示了C类放大器的基本电路示意图。放大器输出端的高Q槽标为绿色。

C类功率放大器的基本原理图。它还可以用于构建单晶体管B类功率放大器。

图3。C类放大器的基本原理图。图片由Steve Arar提供

根据我们为晶体管选择的静态偏置点，上述示意图也可用于构建a类级或单个晶体管B类级。A类放大器是三种类型中线性度最高的放大器，可以使用Q因子相对较低的谐振电路。

在线性频谱的另一端，C类放大器在输出端产生一系列短电流脉冲。高Q谐振电路使输出电流谐波短路，并减少了由不可避免的非线性引起的带外发射。请注意，高Q谐振电路必然意味着窄带操作。

波形分析

在分析C类阶段时，我们假设如下：

输出电压可以近似为正弦波形。这需要一个理想的储能电路，可以短路输出电流的所有高次谐波。

集电极电流波形是正弦波的一部分。实际上，这仅在低频时成立。

尽管在实践中不一定正确，但这些假设使我们能够简化电路分析。考虑到这一点，让我们检查一下C类放大器的性能。

由于Q值较高，基频下的功率实际上是输送到负载的功率。因此，为了找到输出功率，我们需要分析输出电流波形的频率内容。通过改变波形的时间原点，我们可以使这种分析更简单。图4是围绕垂直轴对称的结果。

C类放大器集电极电流的一个周期。

图4。C类放大器集电极电流的一个周期。图片由Steve Arar提供

上述波形可以描述为余弦函数：

方程式2。

使用傅里叶级数，我们可以根据其组成频率分量来写输出电流：

方程式3。

其中a表示第n谐波的傅里叶系数。为了找到C级的效率和输出功率，我们只需要电流波形的平均值（a0）和基波分量（a1）。在不经过所有数学运算的情况下，结果如下式4和5所示：

方程式4。

以及：

方程式5。

其中ϕ等于导通角的一半(ϕ = θc2ϕ = θc2)

图5绘制了平均分量和基本分量与导通角的关系。

传导角的平均分量和基本分量。

图5。传导角的平均分量和基本分量。图片由Steve Arar提供

该图显示了归一化为IM的a0和a1系数的图（或者，等效地，假设IM为单位）。我们很快就会回到这些结果。首先，让我们计算一下C类放大器的效率。

C级运行效率

假设高Q谐振器消除了高次谐波分量，则交流输出电压可以根据方程式5计算为：

方程式6。

其中RL是负载的电阻。

因此，输送到负载的平均功率为：

方程式7。

为了计算电源提供的功率，我们将电源电流的平均值乘以电源电压。电流的平均值为a0，产生：

方程式8。

根据方程式7和8，我们可以计算出效率：

方程式9。

在适当的负载电阻下，电流的基波分量产生最大允许的电压摆动。最大电压摆动幅度为VCC。因此，根据方程式6，当满足以下条件时，效率达到最大：

方程式10。

结合方程式10和9，最大效率计算如下：

方程式11。

最后，将方程4和5代入上述方程，我们得到：

方程式12。

该方程式如图6所示。

最大效率与导通角的关系图。

图6。最大效率与导通角。图片由Steve Arar提供

让我们通过一个例子来给这些方程一些背景。

示例：为C类放大器选择最大电流规格

我们知道，晶体管在能够处理的最大电压和电流水平以及在不损坏的情况下可以燃烧的最大功率方面都是有限的。确定C类放大器的最大晶体管电流，该放大器以85%的最大效率向50Ω负载提供25 W的功率。忽略晶体管的饱和效应，并假设电源电压（VCC）为12V。

输出电流的基波分量（a1）决定了输送到负载的功率。根据方程式7，我们得到：

方程式13。

在这个例子中，我们以最高效率运行。因此，我们知道RLa1=VCC（方程式10）。由于VCC=12V，我们得到RLa1=VCC=15V。将12V值代入方程13，得到基波分量的振幅：

方程式14。

从图7中可以看出，最大效率与导通角的关系图，ηmax=85%对应于θc=147度。

在θc=147度时达到85%的最大效率。

图7。在θc=147度时达到85%的最大效率。图片由Steve Arar提供

在导通角θc=147度时，a1的归一化值为0.45（图8）。

在147度的导通角下，归一化基波分量为0.45。

图8。在θc=147度时，归一化基本分量为0.45。图片由Steve Arar提供

换句话说，我们有：

方程式15。

晶体管应能够处理9.27 a的最大电流。晶体管承受的最大电压为24 V，或电源电压的两倍（2VCC=2×12 V=24 V）。

比较A类、B类和C类操作

接下来，让我们稍微扩大一下我们的关注点，看看改变导通角如何影响以下性能参数：

供电。

输出功率。

最高效率。

从电源中提取的功率如何随θc变化？

图5显示，随着导通角从360度（A类操作）减小到180度（B类）再减小到0度，输出电流的直流分量单调递减。

如果我们考虑图4中的电流波形，这是有道理的。较小的导通角意味着电流非零的区域较小，这也对应于较小的平均值。因此，减小导通角会降低平均值和从电源汲取的直流功率。

输送到负载的功率如何随θc变化？

图5中的基本组件展示了一个更有趣的行为。在360度时，基本分量值为0.5。当我们将导通角从360度减小到180度时，基波分量略有上升。

然而，在180度时，基本值再次为0.5。这意味着，对于相同的晶体管规格和电源电压，A类和B类级产生相同的最大输出功率。

C类操作区域如何？如果我们将方程10代入方程7，我们观察到最大输出功率与a1成正比。从图5中可以看出，随着θc趋近于零，a1也趋近于零。因此，C类放大器的输出功率也降至零。这是C类操作的一个重大缺点。

C类放大器的效率如何随θC变化？

在C类区域，随着传导角的减小，平均分量和基本分量都会下降。从方程式11中，我们知道最大效率（ηmax）与基本分量与平均值的比值成正比。同时，图6的目视检查证实，ηmax随着传导角的减小而增加。随着导通角趋近于零，效率接近100%。

虽然这个结果起初可能看起来很令人兴奋，但请记住，在相同的输入功率下，C类放大器的输出功率远低于a类或B类放大器。例如，在A类放大器中产生相同设备一半功率的配置，即使其效率高达95%，也几乎没有实际用途。

C类放大器的缺点

C类配置还受到其他几个限制：

对于给定的输出功率，C类放大器中使用的晶体管必须处理比a类或B类放大器中的晶体管更大的电流。随着我们减小导通角以实现更高的效率，情况会变得更糟。

更大的最大电流意味着我们需要更大的设备，这导致了更低的匹配带宽。

C类配置比A类或B类放大器更具非线性。

C级需要具有更高击穿电压的晶体管。

与a类或B类放大器相比，C类放大器需要更高的Q谐振电路来抑制谐波分量。

在本系列的下一篇文章中，我们将详细探讨这些限制。