设计一个带有二次谐波增强的反向F类（Class F）放大器

作者：ZongYu 时间：2025-03-11 来源：EEPW编译

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第二谐波增强放大器的实现与设计方程

本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202503/467923.htm

在反向F类放大器中，集电极电压被塑造成半正弦波，而集电极电流呈现方波形式。图1展示了基本反向F类放大器的电路原理图。

图1. 第二谐波增强放大器的电路图。

正如本系列前一篇文章所述，这种配置被称为第二谐波增强放大器。然而，我们在讨论时主要关注了它产生的波形。在本文中，我们将更深入地研究电路本身。然后，我们将推导出第二谐波增强放大器的基本设计方程，并用它们来完成一个示例。

第二谐波增强放大器的工作原理

正如前一篇文章所指出的，图1中的原理图几乎与三谐波增强F类放大器的原理图完全相同。唯一的区别在于，L2-C2谐振电路被调谐到第二谐波，而不是第三谐波。L2和C2组件共同在第二谐波处近似呈现开路状态。然而，在其他谐波频率下，它们表现得像短路。同样，基波谐振器（L0和C0）在基波频率处表现为开路，而在其他所有谐波频率下有效地将输出端接地。图2总结了负载网络在各个谐波频率下的阻抗情况。

图2. 放大器负载网络在不同谐波频率下呈现的阻抗。

让我们进一步扩展这个总结：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，负载网络对晶体管呈现的阻抗为RL。在第二谐波频率下，L2-C2连接表现为开路。因此，集电极看到的是一个开路。在高于第二谐波的谐波频率下，两个谐振电路都表现为短路。因此，负载网络对晶体管有效地呈现为短路。由于L0-C0谐振回路将所有非基波电流分量短路，因此RL两端的电压是一个正弦波形。L2-C2谐振回路两端的电压在第二谐波频率下是一个正弦信号，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谐振回路电压的总和，因此在集电极电压中加入了一个第二谐波分量。

集电极电压和电流波形

反向F类放大器的目标波形如图3所示。

图3. 理想反向F类放大器中的集电极电压（上）和电流（下）波形。

如上所示，集电极电流是一个方波。为了产生这种波形，第二谐波增强级需要一个方波驱动信号。与此同时，目标集电极电压波形是一个半正弦波。由于只包含第二谐波，第二谐波增强放大器生成的集电极电压只能近似于这种波形。集电极电压可以表示为：

方程1.

为了得到尽可能平坦的波形，基波和第二谐波应该满足以下条件：

方程2.

图4绘制了第二谐波增强放大器的最大平坦集电极电压波形。

图4. 第二谐波增强放大器的最大平坦集电极电压波形。

图4. 第二谐波增强放大器的最大平坦集电极电压以蓝色显示。

对于第二谐波增强放大器，最小集电极电压为地（即0伏）。然而，最大平坦电压波形可以达到一个峰值为：

方程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，让我们计算传递给负载的平均功率：

方程4.

这个输出功率大约比B类放大器的输出功率大78%，B类放大器的输出功率由以下方程给出：

方程5.

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

方程6.

如图3所示，集电极电流是一个在0和Icp之间切换的方波。通过使用傅里叶级数表示，可以通过其频率分量的总和来表示通过晶体管的方波电流：

方程7.

傅里叶级数表示显示，从电源汲取的直流电流为 0.5Icp。因此，方程6产生：

方程8.

我们可以应用方程4和方程8来确定放大器的效率，但只有在我们建立了Icp和 Vcc之间的关系之后才能做到这一点。从方程7中，我们观察到基波分量的幅度是 2Icp/π。这个电流通过负载(RL)，导致基波电压幅度为 A1 = 4Vcc/3。从这一点，我们推断出以下关系：

方程9.

结合方程8和方程9，放大器的供电功率为：

方程10.

最后，我们使用方程4和方程10来计算效率：

方程11.

重要的是要注意，效率和输出功率并不能完全评估功率放大器的性能。例如，B类放大器的集电极峰值电压是2Vcc。在我们考察的反向F类放大器中，它是 2.67Vcc。这意味着第二谐波增强放大器的高输出功率是以晶体管上更大的电压应力为代价实现的。输出功率能力
为了在考虑晶体管上的电压和电流应力的同时评估输出功率，我们使用一个称为输出功率能力的参数。对于功率放大器，这个参数定义为：