這篇文章探討了Class F工作原理的基礎，并介紹了三次諧波峰值Class F放大器。到目前為止，這一系列文章已經涵蓋了五種不同的功率放大器類別：A類、B類、C類、D類和E類。我們現在準備好討論第六種，即Class F。這些放大器使用帶有多個諧波諧振器的負載網絡來提高效率和輸出功率。圖1顯示了基本Class F放大器的電路圖。

圖1. 三次諧波峰值Class F放大器的電路圖。

這種配置被稱為三次諧波峰值Class F放大器。為了便于比較，圖2顯示了單晶體管Class B放大器的電路圖。

圖2. 單晶體管Class B放大器的電路圖。

如您所見，這兩個電路非常相似。唯一的區(qū)別是包含了一個額外的諧振電路。Class F放大器通過使用多個調諧到信號諧波的諧振電路來塑造其電壓波形。多諧振負載網絡在晶體管電流高時保持晶體管兩端的電壓低，從而產生方波。

要理解這如何提高效率，我們首先需要退一步來看看Class B放大器的功率損耗。完成這一點后，我們將準備好討論Class F操作是如何改進它的。

Class B放大器中的功率損耗

前一節(jié)中的Class B和Class F電路都包含一個單晶體管。由于在功率放大器設計中實現高效率是最重要的，因此最小化晶體管的功率損耗至關重要。晶體管內的功率損耗意味著電路從電源消耗功率但沒有將其傳輸到負載。相反，功率浪費在晶體管本身內，降低了效率。

為了更好地理解Class B晶體管的功率損耗，讓我們檢查其集電極處的電壓和電流波形。圖3的頂部顯示了理想Class B放大器的集電極電流波形。底部顯示了集電極電壓的波形。

圖3. 理想Class B放大器的集電極電流（頂部）和集電極電壓（底部）。

在Class B放大器中，晶體管偏置在其導通點略下方，并由輸入信號的正半周期驅動進入導通狀態(tài)。因此，集電極電流是一個富含不同諧波的半波整流正弦波。

如圖3的底部所示，Class B放大器的輸出電壓是基頻上的正弦波。為了忠實地再現輸入信號，負載網絡在基頻上使用一個高Q值的諧振電路。該電路短路了諧波成分，產生了我們看到的正弦波。

從圖3可以看出，晶體管在其OFF半周期內不消耗任何功率——例如，從t = T/2到t = T的時間間隔內，因為在這段時間內沒有電流流過晶體管。

在ON半周期（t = 0到t = T/2）期間，晶體管電流和電壓均非零，表明晶體管在此期間有功率損耗。幸運的是，隨著電流增加，集電極電壓會降低。從效率角度來看，這是有利的——如果放大器的集電極電壓在ON半周期內保持較大的恒定值，則其功率損耗將顯著高于Class B放大器。換句話說，在ON半周期內增加Class B放大器的集電極電壓波形會降低效率。

Class F操作的基本思想是通過相反的操作來提高效率——即在ON半周期內降低電壓而不是增加它。讓我們在下一節(jié)進一步討論這一點。

理解Class F操作

圖4顯示了Class F放大器的集電極電流和電壓波形。我們可以從底部圖中看到，在晶體管的ON半周期內，它的電壓波形比Class B放大器更低。當晶體管導通時電壓較低意味著較小的電流-電壓乘積，這反過來意味著晶體管消耗的功率更少。

圖4. 邊緣更銳利的集電極電壓波形可以減少晶體管中的功率損耗。

當集電極電壓接近矩形波形時，它可以減少電壓和電流的乘積。為了在高電流條件下獲得盡可能低的電壓，我們需要使電壓波形的過渡更加銳利，并平坦其峰值和谷值。我們可以通過向晶體管兩端的電壓添加適當幅度和相位的諧波成分來實現這一點。

圖1中的Class F電路，即所謂的三次諧波峰值放大器，是這一想法的一種常見實現方式。顧名思義，它是通過添加一個三次諧波成分來實現所需的電壓波形。我們將在本系列的下一篇文章中詳細研究該電路本身。目前，讓我們借助一些電壓圖來討論其基本原理。

第三次諧波峰值Class F放大器的基本原理

本質上，第三次諧波峰值放大器是在Class B放大器上添加了一個三次諧波成分?；仡檲D3，我們可以將理想Class B放大器的集電極電壓表示為：

其中，A1 是基波電壓分量的幅度。圖3中的電壓波形對應于最大輸出擺幅（A1 = Vcc）。

接下來，我們考慮一個幅度為 A3 的三次諧波分量：

如果我們從 vB（基波電壓）中減去 v3（三次諧波電壓分量），新的集電極電壓可以表示為：

其中，x = A3/A1。

圖5繪制了 A1 = Vcc = 1 V 和 A3 = 0.05 時的 vB、v3 和 vF。在上述方程中，x 被定義為三次諧波分量（A3）與基波分量（A1）的比值，因此這對應于 x = 0.05。

圖5展示了B類放大器的集電極電壓波形（紅色），三次諧波分量（品紅色），以及包含基波和三次諧波分量的總電壓（藍色）在A1 = Vcc = 1V且x = 0.05時的情況。

根據方程1至3定義的電壓波形，基波和諧波之間的相位差使得基波的波谷與三次諧波的波峰對齊，同樣，基波的波峰與三次諧波的波谷對齊。因此，總的或稱為F類電壓(vF)在其波峰和波谷周圍比沒有三次諧波分量的原始波形(vB)更加平坦。

上述波形表明，通過兩個頻率成分間適當的相位差，我們可以使用三次諧波分量來展平電壓波形。還需注意的是，雖然基波分量具有2A1 = 2Vcc的峰峰值擺幅，但復合波形vF的峰峰值擺幅大約為0.05V到1.95V。添加三次諧波分量減小了復合波形的峰峰值擺幅。

圖5中的集電極電壓曲線并未完全利用可用的擺動范圍（0到2Vcc）。為了充分利用潛在的擺動范圍，我們需要增加基波分量的輸入功率。圖6顯示了Vcc = 1V，A1 = 1.053V，A3 = 0.053V時的波形。這些值，如同前面的例子一樣，對應于x = 0.05。

這個分析說明了如何通過調整諧波分量的幅度和相位，特別是引入三次諧波分量，可以在一定程度上優(yōu)化電壓波形，使其更加高效和平坦。這對于提高放大器效率和性能是至關重要的。同時，這也強調了精確控制這些參數的重要性，以便最大化地利用電源電壓的擺動范圍，從而提升整體系統(tǒng)性能。

圖6展示了在Vcc = 1V，A1 = 1.053V，且x = 0.05時，B類放大器的集電極電壓波形（紅色），三次諧波分量（品紅色），以及包含基波和三次諧波分量的總電壓（藍色）。

對于給定的擺動范圍，我們可以得出結論：添加三次諧波允許我們增加基波分量（A1）。這反過來又增加了在基波分量上輸送到負載的功率。

在上述例子中，基波分量（A1）從1V增加到1.053V。因此，對于給定的負載阻抗，輸送到負載的功率增加了1.0532 = 1.11倍。換句話說，與B類放大器相比，帶有三次諧波峰值的F類放大器的輸出功率提高了大約11%。

增加三次諧波幅度會怎樣？

圖7說明了當三次諧波分量的不同水平變化時，總電壓波形（vF）如何變化。

圖7展示了在A1 = Vcc = 1V時，總集電極電壓（vF）隨x從0.05變化到0.25的情況。

隨著x值的變化

當我們從0.05增加x到大約0.1時，總電壓在其波峰和波谷處變得更加平坦。然而，如果x超過0.1，波形中會出現一些波動。

總結

根據我們目前所學的內容，最優(yōu)的三次諧波值似乎是將集電極電壓塑造成方波的那個值。然而，在本系列的下一篇文章中，我們將繼續(xù)討論帶有三次諧波峰值的F類放大器，并會看到實際情況并非如此簡單。盡管如此，這種放大器仍然表現出遠高于B類放大器的效率和輸出功率。

所有使用的圖像均 courtesy of Steve Arar。