​设计具有二次谐波峰值的逆F类放大器

我们探讨了二次谐波峰值放大器的实现和设计方程。

在逆F类放大器中，集电极电压被塑造成半正弦波，集电极电流则呈现为方波。图1展示了一个基本的逆F类放大器的电路原理图。

二次谐波峰值放大器的电路图。

图1 二次谐波峰值放大器的电路图

正如我们在本系列前一篇文章中所知，这种配置被称为二次谐波峰值放大器。然而，当我们讨论它时，主要集中在它产生的波形上。在本文中，我们将更详细地研究电路本身。然后，我们将制定二次谐波峰值放大器的基本设计方程，并使用它们来设计一个示例。

二次谐波峰值放大器的工作原理

正如前一篇文章所述，图1中的原理图几乎与三次谐波峰值F类放大器的原理图相同。唯一的区别是L2-C2谐振电路调谐到二次谐波而不是三次谐波。

L2和C2组件一起在二次谐波处近似为开路。然而，在其他谐波频率下，它们的行为类似于短路。同样，基波谐振器（L0和C0）在基波频率处表现为开路，而在所有其他谐波处有效地将输出接地。

图2总结了负载网络在不同谐波下的阻抗。

二次谐波峰值放大器的负载网络在不同频率下呈现的阻抗。

图2 放大器的负载网络在不同谐波下呈现的阻抗

让我们稍微扩展一下这个总结：

在基波频率下，L2-C2谐振电路表现为短路，而L0-C0连接近似为开路。因此，在基波频率下，负载网络向晶体管呈现RL的阻抗。

在二次谐波处，L2-C2连接表现为开路。因此，集电极看到的是开路。

在二次谐波以上的谐波频率下，两个谐振电路都表现为短路。因此，负载网络有效地向晶体管呈现短路。

RL上的电压是正弦波形，因为L0-C0谐振电路将所有非基波电流分量短路。L2-C2谐振电路上的电压是二次谐波的正弦信号，因为L2-C2连接在该频率下对输出电流呈现高阻抗。由于集电极电压是负载（RL）电压和L2-C2谐振电路电压的总和，因此集电极电压中加入了二次谐波分量。

集电极电压和电流波形

逆F类放大器的目标波形如图3所示。

图3 理想逆F类放大器中的集电极电压（顶部）和电流（底部）波形

如上图所示，集电极电流是方波。为了产生这种波形，二次谐波峰值级需要一个方波驱动信号。

同时，目标集电极电压波形是半正弦波。由于它仅包含二次谐波，二次谐波峰值放大器产生的集电极电压只能近似于此。集电极电压可以表示为：

公式1

对于最大平坦波形，基波和二次谐波应满足以下条件：

公式2

图4绘制了二次谐波峰值放大器的最大平坦集电极电压波形。

逆F类放大器的最大平坦集电极电压波形。

图4 二次谐波峰值放大器的最大平坦集电极电压以蓝色显示

二次谐波峰值放大器的最小集电极电压为地。然而，最大平坦电压波形可以达到的峰值值为：

公式3

计算输出功率

现在我们已经确定了基波电压分量的幅度，让我们计算传递到负载的平均功率：

公式4

这比B类放大器的输出功率大约78%，B类放大器的输出功率为：

公式5

计算放大器的效率

为了计算放大器的效率，我们需要确定输出功率（公式4中的PL）和从电源中汲取的功率（Pcc）。为了计算电源提供的功率，我们找到从电源中汲取的电流的平均值（Ic,ave）并将其乘以电源电压：

公式6

如图3所示，集电极电流是在0和Icp之间切换的方波。通过使用傅里叶级数表示，晶体管中的方波电流可以表示为各频率分量的总和：

公式7

傅里叶级数表示显示，从电源中汲取的直流电流为0.5Icp。因此，公式6得出：

公式8

我们可以应用公式4和8来确定放大器的效率，但前提是我们已经建立了Icp和Vcc之间的关系。从公式7中，我们观察到基波分量的幅度为2Icp/π。该电流通过负载（RL），导致基波电压幅度为A1 = 4Vcc/3。由此，我们推导出以下关系：

公式9

结合公式8和9，提供给放大器的功率为：

公式10

最后，我们使用公式4和10来计算效率：

公式11

需要注意的是，效率和输出功率都不能完全评估功率放大器的性能。例如，B类放大器的峰值集电极电压为2Vcc。在我们研究的逆F类放大器中，它是2.67Vcc。这意味着二次谐波放大器的高输出功率是以晶体管承受更大的电压应力为代价实现的。

输出功率能力

为了评估输出功率并考虑晶体管上的电压和电流应力，我们使用一个称为输出功率能力的参数。对于功率放大器，该参数定义为：

公式12

其中：

PL,max 是最大输出功率

Ic,max 是最大集电极电流

Vc,max 是最大集电极电压

N 是放大器中的晶体管数量。

输出功率能力是当器件具有1V的峰值集电极电压和1A的峰值集电极电流时产生的输出功率。注意到输出功率等于Pcc乘以效率（η），我们可以将公式12重写为：

公式13

正如我们在公式3中看到的，二次谐波峰值放大器的最大平坦电压波形的峰值为8Vcc/3。从公式7中我们还知道，平均集电极电流与其最大值的比率为0.5。将这些值代入公式13，我们得到：

公式14

相比之下，B类放大器的输出功率能力为Cp = 0.125。这表明逆F类放大器在相同的晶体管规格下提供了更高的输出功率。

示例：设计一个二次谐波峰值放大器

假设我们正在设计一个具有二次谐波峰值和最大平坦集电极电压的逆F类放大器。如果电源电压为Vcc = 30 V，请确定以下内容：

1 如果电源电压为30 V，输出功率为PL = 50 W时的负载电阻（RL）。

2 晶体管必须承受的最大电流和电压。

让我们从负载电阻开始。将给定的输出功率和电源电压值代入公式4，我们有：

公式15

由此得出RL = 16 Ω。

正如我们从公式3中知道的，这种放大器的最大集电极电压为：

公式16

最后，从公式9中，最大集电极电流为：

公式17

总结

二次谐波峰值放大器是一种基本的逆F类配置，通过引入二次谐波分量产生近似半正弦的集电极电压。为了产生最大平坦的集电极电压波形，二次谐波的幅度应为基波频率分量的四分之一。这导致了η = 8.49%的效率。

本文不仅结束了我们对逆F类放大器的讨论，也结束了关于不同功率放大器类别的系列文章。本系列文章的完整列表如下。

A类到C类：

1 A类功率放大器简介：共射极PA

2 电感负载A类功率放大器简介

3 B类功率放大器简介

4 推挽B类功率放大器的基本原理

5 C类功率放大器简介

6 理解C类功率放大器的局限性

D类：

7 开关模式功率放大器简介：D类操作

8 为什么D类放大器需要反并联二极管

9 理解D类放大器中二极管反向恢复的影响

10 理解D类放大器的非理想性：电抗负载和寄生电容

11 理解变压器耦合电压开关D类放大器

12 理解变压器耦合电流开关D类放大器

E类：

13 E类功率放大器简介

14 E类功率放大器：波形工程以实现卓越性能

15 E类功率放大器的负载网络响应和设计方程

16 解析E类功率放大器的设计方程

17 低Q值E类放大器中的谐波抑制

18 理解E类放大器中的开关损耗

19 确定E类功率放大器的RF扼流圈要求

20 如何调谐E类放大器

F类和逆F类：

21 F类功率放大器简介

22 理解具有最大平坦波形的三次谐波峰值F类放大器

23 设计最大效率的三次谐波峰值F类放大器

24 理解传输线峰值F类放大器

25 逆F类功率放大器简介

26 设计具有二次谐波峰值的逆F类放大器