第二諧波增強(qiáng)放大器的實(shí)現(xiàn)與設(shè)計方程

在反向F類放大器中，集電極電壓被塑造成半正弦波，而集電極電流呈現(xiàn)方波形式。圖1展示了基本反向F類放大器的電路原理圖。

圖1. 第二諧波增強(qiáng)放大器的電路圖。

正如本系列前一篇文章所述，這種配置被稱為第二諧波增強(qiáng)放大器。然而，我們在討論時主要關(guān)注了它產(chǎn)生的波形。在本文中，我們將更深入地研究電路本身。然后，我們將推導(dǎo)出第二諧波增強(qiáng)放大器的基本設(shè)計方程，并用它們來完成一個示例。

第二諧波增強(qiáng)放大器的工作原理

正如前一篇文章所指出的，圖1中的原理圖幾乎與三諧波增強(qiáng)F類放大器的原理圖完全相同。唯一的區(qū)別在于，L2-C2諧振電路被調(diào)諧到第二諧波，而不是第三諧波。L2和C2組件共同在第二諧波處近似呈現(xiàn)開路狀態(tài)。然而，在其他諧波頻率下，它們表現(xiàn)得像短路。同樣，基波諧振器（L0和C0）在基波頻率處表現(xiàn)為開路，而在其他所有諧波頻率下有效地將輸出端接地。圖2總結(jié)了負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在各個諧波頻率下的阻抗情況。

圖2. 放大器負(fù)載網(wǎng)絡(luò)在不同諧波頻率下呈現(xiàn)的阻抗。

讓我們進(jìn)一步擴(kuò)展這個總結(jié)：在基波頻率下，L2-C2諧振電路表現(xiàn)為短路，而L0-C0連接近似為開路。因此，在基波頻率下，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)對晶體管呈現(xiàn)的阻抗為RL。在第二諧波頻率下，L2-C2連接表現(xiàn)為開路。因此，集電極看到的是一個開路。在高于第二諧波的諧波頻率下，兩個諧振電路都表現(xiàn)為短路。因此，負(fù)載網(wǎng)絡(luò)對晶體管有效地呈現(xiàn)為短路。由于L0-C0諧振回路將所有非基波電流分量短路，因此RL兩端的電壓是一個正弦波形。L2-C2諧振回路兩端的電壓在第二諧波頻率下是一個正弦信號，因?yàn)長2-C2連接在該頻率下對輸出電流呈現(xiàn)高阻抗。由于集電極電壓是負(fù)載（RL）電壓和L2-C2諧振回路電壓的總和，因此在集電極電壓中加入了一個第二諧波分量。

集電極電壓和電流波形

反向F類放大器的目標(biāo)波形如圖3所示。

圖3. 理想反向F類放大器中的集電極電壓（上）和電流（下）波形。

如上所示，集電極電流是一個方波。為了產(chǎn)生這種波形，第二諧波增強(qiáng)級需要一個方波驅(qū)動信號。與此同時，目標(biāo)集電極電壓波形是一個半正弦波。由于只包含第二諧波，第二諧波增強(qiáng)放大器生成的集電極電壓只能近似于這種波形。集電極電壓可以表示為：

方程1.

為了得到盡可能平坦的波形，基波和第二諧波應(yīng)該滿足以下條件：

方程2.

圖4繪制了第二諧波增強(qiáng)放大器的最大平坦集電極電壓波形。

圖4. 第二諧波增強(qiáng)放大器的最大平坦集電極電壓波形。

圖4. 第二諧波增強(qiáng)放大器的最大平坦集電極電壓以藍(lán)色顯示。

對于第二諧波增強(qiáng)放大器，最小集電極電壓為地（即0伏）。然而，最大平坦電壓波形可以達(dá)到一個峰值為：

方程3.

計算輸出功率現(xiàn)在我們已經(jīng)確定了基波電壓分量的幅度，讓我們計算傳遞給負(fù)載的平均功率：

方程4.

這個輸出功率大約比B類放大器的輸出功率大78%，B類放大器的輸出功率由以下方程給出：

方程5.

為了計算放大器的效率，我們需要確定輸出功率（由方程4給出的PL
）和從電源汲取的功率（Pcc）。為了計算電源提供的功率，我們找到從電源汲取的電流的平均值（Ic,ave）并將其乘以電源電壓：

方程6.

如圖3所示，集電極電流是一個在0和Icp之間切換的方波。通過使用傅里葉級數(shù)表示，可以通過其頻率分量的總和來表示通過晶體管的方波電流：

方程7.

傅里葉級數(shù)表示顯示，從電源汲取的直流電流為 0.5Icp。因此，方程6產(chǎn)生：

方程8.

我們可以應(yīng)用方程4和方程8來確定放大器的效率，但只有在我們建立了Icp和 Vcc之間的關(guān)系之后才能做到這一點(diǎn)。從方程7中，我們觀察到基波分量的幅度是 2Icp/π。這個電流通過負(fù)載(RL)，導(dǎo)致基波電壓幅度為  A1 = 4Vcc/3。從這一點(diǎn)，我們推斷出以下關(guān)系：

方程9.

結(jié)合方程8和方程9，放大器的供電功率為：

方程10.

最后，我們使用方程4和方程10來計算效率：

方程11.

重要的是要注意，效率和輸出功率并不能完全評估功率放大器的性能。例如，B類放大器的集電極峰值電壓是2Vcc。在我們考察的反向F類放大器中，它是 2.67Vcc。這意味著第二諧波增強(qiáng)放大器的高輸出功率是以晶體管上更大的電壓應(yīng)力為代價實(shí)現(xiàn)的。輸出功率能力
為了在考慮晶體管上的電壓和電流應(yīng)力的同時評估輸出功率，我們使用一個稱為輸出功率能力的參數(shù)。對于功率放大器，這個參數(shù)定義為：

方程12.

其中：PL,max 是最大輸出功率

Ic,max是最大集電極電流

Vc,max 是最大集電極電壓

N 是放大器中的晶體管數(shù)量。輸出功率能力是在器件具有1V的峰值集電極電壓和1A的峰值集電極電流時產(chǎn)生的輸出功率。注意到輸出功率等于Pcc 乘以效率（η），我們可以將方程12重寫為：

方程13.

正如我們在方程3中看到的，第二諧波增強(qiáng)放大器的最大平坦電壓波形的峰值為 8Vcc/3。我們還從方程7知道，平均集電極電流與其最大值的比值為0.5。將這些值代入方程13，我們得到：

方程14.

通過比較，B類放大器的輸出功率能力為 Cp = 0.125。這表明，對于相同的晶體管規(guī)格，反向F類放大器提供了更高的輸出功率。