了解C类功率放大器的局限性

在本文中，我们通过与A类和B类放大器的性能比较，探讨了C类操作的缺点。

正如本系列文章前面所述，减小功率放大器的导通角可以提高其效率。A类功率放大器的导通角为360度，理论效率为50%；B类功率放大器的导通角为180度，效率为78.5%。

这种提高效率的趋势在C类放大器中继续存在，C类放大器的导通角小于180度。例如，如图1所示，导通角为90度的C类放大器的理论效率为94%。

最大效率与导通角。在90度导通角时，最大效率为94.04%。

图1 最大效率与导通角的曲线图。

遗憾的是，C类功率放大器存在几个缺点，限制了它们在现代固态射频电路中的应用。首先，在输入功率相同的情况下，它们产生的输出功率远低于A类或B类放大器。如果我们检查与A类或B类放大器具有相同输出功率的C类放大器的设计，就会发现更多的限制。

在本文中，我们将通过比较必须向给定负载阻抗提供一定射频功率的A类、B类和C类放大器的性能来探讨这些限制。为了简单起见，我们将在整篇文章中使用90度导通角的C类放大器。首先，我们来比较每种放大器的输出晶体管所承载的最大电流。

晶体管电流要求

在上一篇文章中，我们了解了导通角如何改变输出电流的频率内容。您可能从该讨论中认出了图2。它绘制了A、B和C类放大器的平均（a0）和基波（a1）分量与导通角的关系图。为了使这三种设计提供相同的功率，它们各自的输出电流应具有相同的基本分量。

输出电流的平均分量和基波分量相对于导通角的曲线图。

图2:针对导电角的平均和基本分量。

请注意，此图中的a0和a1系数已归一化为IM，其中IM是晶体管电流的峰值。换句话说，假设IM为1。

A类晶体管电流

设A类级中的最大晶体管电流为IMA。从图1中我们可以看到，A类级的基本分量归一化为IMA为0.5。因此我们有：

方程式1。

如果不能立即弄清楚为什么基本组件是A类级最大电流的一半，请记住，这种类型的放大器将晶体管偏置在其负载线的中点。放大器的最大集电极电流是偏置电流和交流电流之和。

为了获得最大的对称摆幅，通过晶体管的直流电流应等于传输到负载的交流电流的幅度。图3显示了当晶体管达到其负载线边界时，A类放大器中集电极电流的变化情况。

在具有最大对称摆幅的A类放大器中，集电极电流从0（a）变为最大射频电流的两倍（b）。

图3. 在具有最大对称摆幅的A类级中，最小（a）和最大（b）集电极电流。

如您所见，集电极电流从零变为最大射频电流的两倍。这与方程式1一致。

B类晶体管电流

B类放大器呢？设B类级的最大集电极电流为IMB。图1显示，B类级的归一化基波分量也为0.5，因此：

方程式2。

由此，我们可以看出，对于给定的最大晶体管电流，A类和B类放大器产生相同的基本分量。

C类晶体管电流

C类放大器的基本组件取决于其导电角。我们假设导电角θc = 90度，对应于归一化基本组件0.31（图1）。因此，我们有：

方程式3。

其中IMC是C类级的最大集电极电流。

比较晶体管电流

方程式4。

求解IMC，我们得到：

方程式5。

C类放大器的峰值电流是A类或B类放大器的1.6倍。请注意，我们的计算基于具有90度导通角的C类放大器。导通角小于90度的C类放大器相对于A类或B类放大器具有更高的峰值电流。

这里的关键是，丙类放大器中的晶体管必须处理更大的电流才能产生相同的输出功率。实际上，这意味着放大器需要更大的晶体管。我们进一步减小导通角，峰值电流就越高，晶体管就需要越大。这可能会产生问题——一方面，更大的晶体管会导致匹配带宽降低。

晶体管尺寸要求是一个主要缺点。还有其他高效的功率放大器配置不需要如此大的晶体管，这些配置在现代固态射频设计中已经取代了C类操作。

在挑选晶体管时，我们还需要考虑放大器的最大电压。正如我们将在下一节中看到的，丙类操作在这里也会遇到问题。

反向击穿电压问题

在具有小导通角的放大器中，将输出电流摆动到其最大允许值需要将大电压施加到晶体管的输入端。要理解其原因，请考虑图4中的电压波形。

使用小导通角时需要较大的输入电压。

图4. 使用小导通角时需要较大的输入电压。

在上述图表中：

θc是放大器的导通角。

VT是晶体管的开启电压。

Vmax是产生最大输出电流的输入电压。

Vmax和VT之间的差值应足够大，以便当输入为Vmax时，晶体管能够产生其最大电流。然而，超过VT的输入部分仅对应于RF周期的一小部分（小导通角）。因此，需要非常大的驱动信号。

现在考虑输入的负摆幅。当输入电压接近其最小值时，输出电压摆动到其最大值。这会在集电极-基极端子之间产生较大的电压，这可能会导致集电极-基极结击穿。这种反向击穿会损坏晶体管，并导致从集电极到发射极的大电流不受控制地流动。

失真和非线性

为了了解导通角如何影响线性度，比较设计用于相同输出功率的A、B和C类放大器的输出电流波形是有益的。这些波形如图5所示，可以按如下方式读取：

紫色曲线对应360度导电角（A类运行）。

品红色曲线对应180度导通角（B类操作）。

橙色曲线对应90度导通角（C类操作）。

A类、B类和C类放大器的电流波形。

图5。A类（紫色）、B类（洋红色）和C类（橙色）放大器的电流波形。

蓝色虚线曲线是振幅为IRF、偏移量为IQ的负值的正弦波。C类波形是该正弦波的一部分。

蓝色曲线提醒我们，当我们使用非360度的导通角时，输出电流仅在周期的一部分是正弦曲线段。在周期的其余部分，输出电流为零。由于输入波形是纯正弦曲线，因此输出波形相对于它明显失真。根据这个定义，只有A类放大器是线性的。

然而，在功率放大器的背景下，我们也可以根据输出端基波分量的功率随输入功率的变化来定义线性度。即使放大器涉及高度非线性的过程，其整体输入输出特性仍然可以是线性的。请注意，这种线性度的定义假设输出的所有谐波分量都被输出端的高Q谐振电路短路。

图6展示了放大器电流波形的二次和三次谐波（a2和a3）随其导通角的变化情况，以及平均和基本分量（a0和a1）。使用此图，让我们重新检查A、B和C类放大器的线性度。

输出电流的平均值和前三个频率分量与导通角的关系。

图6 输出电流的平均值和前三个谐波频率分量与导通角的关系。

A类和B类放大器的线性度

由于没有对信号进行削波，因此A类操作仍被假定为线性操作。在图6中，二次和三次谐波分量在360度导通角时均为零。

乙类级的输入信号相对于晶体管的导通点是呈对称的。在180度导通角处存在二次谐波分量，但三次谐波为零。改变输入信号的幅度不会影响导通角。

因此，B类级输出端基本元件的功率与输入功率成正比。从这个意义上说，单晶体管B类放大器是线性的。B类级的输入驱动功率降低会导致输出功率等量降低。

丙类放大器的线性度

对于小于180度的导通角（C类操作），我们在图6中可以看到存在二次和三次谐波分量。C类放大器使用较窄的脉冲来实现更高的效率，并且其导通角随输入信号的幅度而变化。回顾图5可以帮助您形象化这一点。

对于给定的偏置点，减小输入信号的幅度会减小导通角，从而减小级的增益。这意味着即使我们考虑输出相对于输入功率的基波分量，C类放大器也不是线性的。例如，将输入功率降低3 dB可能会使输出基波功率降低3 dB以上。

AB类放大器的线性度

另外，即使使用完全线性的晶体管，AB类放大器（即导通角在180到360度之间的放大器）也是非线性的。这是因为放大器的导通角随驱动电平而变化。

然而，应该注意的是，现实世界中的晶体管是非线性设备，因此在现实世界中，所有类别的放大器都具有某种非线性。在实践中，AB类放大器为调幅信号提供了最佳的线性度。由于AB类放大器从效率的角度来看也是有优势，因此它们通常用于涉及调幅的应用中。

抑制谐波分量

回到我们的主要讨论话题，我们还没有提到C类工作模式的最后一个问题：即输出电流的谐波分量大于A类和B类放大器的谐波分量。当我们使用越来越小的导通角时，这一点尤其如此（图6）。因此，我们需要更高Q值的谐振电路来抑制谐波分量。

总结

C类放大器在真空管时代比现在更常见——事实上，现代真空管应用仍然受益于C类放大器的高效率。然而，它们在现代射频半导体电路中很少使用。固态设计通常使用其他类型的放大器，这些放大器提供了高效率，而不会引起我们在本文中列举的问题。我们将在以后的文章中讨论其中的一些配置。