B类功率放大器介绍

B类功率放大器是如何工作的？是什么让它比A类功率放大器更高效？在这篇文章中了解答案。

高效射频功率放大器（PA）在许多应用中都至关重要，从手持通信设备到大型有源元件相控阵天线。例如，在上述手持设备中，更高的效率意味着更低的功耗，从而可以延长通话时间。

我们在之前的文章中了解到，电感性负载的A类放大器提供的最大可获得效率仅为50%。本文介绍了B类功率放大器，其理论最大效率为78.5%。在讨论了B类放大器的基本特性后，我们将探讨效率差异的原因。

请注意，本文中使用的分析表达式是近似的，因为它们涉及大信号和强非线性，功率放大器级难以分析。然而，这些数字仍然有助于我们很好地理解电路的行为。

B类功率放大器特性

在B类放大器中，晶体管被偏置到刚好低于其导通点。当没有完全导通时，晶体管被输入信号的正半周期驱动导通。对于信号的另一半周期，当输入信号为负时，晶体管保持截止状态。如图1所示。

晶体管作为B类功率放大器工作的示意图。

图1. 晶体管作为B类功率放大器的操作。图片由Steve Arar提供

对于双极型晶体管，我们需要将基极-发射极结偏置在大约0.7 V。对于FET器件，栅极-源极偏置在夹断状态。这些偏置点允许输入的正半周期驱动晶体管导通。

传导角度

我们将使用传导角的概念来帮助我们描述功率放大器晶体管的工作。传导角是晶体管导通的一个输入周期的分数，以角度或弧度表示。例如，在A类放大器中，晶体管始终处于导通状态，因此传导角为360度。在B类放大器中，晶体管仅在信号周期的一半时间导通，因此传导角为180度。

180度的精确导通角是一个数学概念，在实际应用中，B类放大器的导通角可能与这个理论值略有不同。然而，导通角的概念仍然是分类不同类型功率放大器的一种有用方法。在本文的后面，我们将讨论如何将导通角从360度减小到180度，从而使B类放大器级实现比A类设计更高的效率。

典型波形

由于B级晶体管的间歇导通，流经晶体管的电流不是输入信号的忠实再现（见图1）。作为半波整流正弦波，输出电流包含所施加信号的不同谐波。

如果我们让这种失真的电流通过电阻负载，输出电压也会富含不同的谐波。然而，我们通常在输出端有一个带通或低通滤波器，可以充分抑制高次谐波分量。图2显示了一个单晶体管B类放大器。

单晶体管B类放大器的电路图。

图2:一个带有单个晶体管的B类放大器示例。图片由Steve Arar提供

RF扼流圈允许直流电流通过，但对RF信号而言，则相当于开路。输入RF扼流圈设定基极-发射极电压的静态值；集电极处的RF扼流圈提供晶体管的直流电流。负载是一个交流耦合电阻器（RL），在基频处有一个高Q谐振电路。

通过缩短谐波分量，高Q谐振储能电路使输出电压在基频处呈正弦波。图3显示了接近理想A、B和C类放大器的晶体管电流和输出电压波形。

近理想A、B和C类放大器的电流和电压波形。

图3. 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

我们可以假设谐振并联LC网络在输出端提供了一些谐波滤波。然而，由于晶体管的间歇导通，在B类和C类级中仍可观察到一些谐波失真。A类级的输出电压和电流波形几乎未失真。

计算B类放大器的效率

现在我们已经很好地了解了B类放大器的工作原理，让我们计算一下单晶体管B类放大器的效率。假设晶体管电流是幅度为Ip、周期为T的半波整流正弦波，如图4所示。

单晶体管B类放大器的输出电流波形。

图4. B类放大器晶体管的输出电流。图片由Steve Arar提供

使用傅里叶级数表示法，我们可以根据其组成频率分量来表示输出电流：

方程式1

其中⍵0是信号的角频率。假设高Q谐振器消除了较高的谐波分量，则负载（RL）上的交流电压可以计算为：

方程式2

现在我们有了输出电压，我们可以计算出传递给负载的均方根（rms）功率为：

方程式3

为了计算电源提供的功率，我们求出从电源中汲取的电流的平均值（图4中的波形），并将其乘以电源电压。根据方程1，半波整流信号的平均值为Ip/π。因此，电源提供的功率为：

方程式4

这个方程式，连同方程式3，给出了放大器的效率：

方程式5

为了找到放大器的最大效率，我们需要用VCC表示Ip的最大值。为了找到这种关系，请注意，输出摆幅的最大幅度（由方程2给出）等于VCC。正如我们讨论过的电感性负载A类放大器一样，当晶体管的集电极（或漏极）通过RF扼流圈偏置时，情况就是这样。输出的直流偏置是VCC；输出可以在VCC之上和之下摆动。

因此，根据方程式2，我们有：

方程式6 

通过将上述公式替换为公式5中的Ip，我们找到了最大效率：

方程式7

与A类放大器相比的功率效率

为了更好地理解是什么使B类放大器比A类放大器更高效，让我们先回顾一下是什么使A类放大器效率较低。

电感性负载的A类放大器提供相对较低的效率，因为晶体管始终处于偏置状态，即使没有施加信号，也会从电源中汲取恒定的直流电流。这导致大量功率消耗在晶体管中，而不是负载中。

图5首次出现在“电感负载A类功率放大器简介”中，展示了随着集电极电流的增加，三个功率项在该类PA中的表现：

PCC：供电。

PL：负载功率。

PTran：晶体管功率。

该图还绘制了放大器的功率效率（青色曲线）。

A类PA的电源功率、负载功率、晶体管功率和功率效率与集电极电流的关系图。

图5.电感性负载A类放大器的电源功率、负载功率、晶体管功率和功率效率与集电极电流的关系。图片由Steve Arar提供

如您所见，在没有交流信号的情况下，没有功率被传递给负载。相反，晶体管耗散了电源提供的所有功率。然而，即使信号摆幅和效率达到最大值，晶体管中耗散的功率也等于传递给负载的功率。

那么，B类放大器是如何解决这个问题的呢？我们在图3中看到，A类和B类放大器的输出电压几乎相同。但是，当我们比较导通角时，我们观察到B类晶体管的电流在信号周期的相对较小部分中不为零。

通过减少漏极电流和漏极电压同时为非零的信号周期的比例，B类放大器降低了晶体管中的功耗。这是以使输出高度失真为代价实现的，可以通过加入高Q谐振器或使用推挽式配置来解决，我们将在后面的文章中讨论。

与A类放大器相比的输出功率

但是，对于给定的晶体管和电源电压，B级放大器的输出功率与A级放大器相比如何？正如我们已经看到的，A级和B级放大器都可以具有大约VCC的最大摆幅。换句话说，假设晶体管的饱和电压（VCE（sat））为零，峰峰摆幅将从零到2VCC。因此，给定电源电压的输出摆幅在两种类型的放大器中是相同的。

现在，假设可以流过晶体管的最大电流被指定为Imax。通过电感性负载A级负载的最大交流电流为Imax/2，另一半Imax在晶体管中损失。当B级晶体管以其最大电流工作时，图4所示的半波整流电流（Ip）的峰值等于Imax。

当Ip=Imax时，电流基波分量的幅值为Imax/2（方程1），这也等于A类放大器的负载电流摆动。这意味着，在给定相同的晶体管规格和相同的电源电压的情况下，A类和B类级可以产生相同的最大交流电流和输出电压。（在本分析中，我们忽略了击穿电压对偏置点和电压摆动的影响）。

因此，A类和B类设计都可以产生相同的最大输出功率。此外，由于电压和电流摆动相同，两种设计的最佳负载电阻是相同的。

总结一下

B类放大器切断输入信号周期的一半，只使用剩余的一半来产生输出信号，以换取效率的显著提高。由于其作为热量的浪费功率较少，B类放大器也可以比等效的A级运行更低。我们将在下一篇文章中更详细地介绍B类功率放大器的配置——现在，我希望你已经发现这篇介绍有趣且内容丰富。