了解C類功率放大器的局限性

在本文中，我們通過與A類和B類放大器的性能比較，探討了C類操作的缺點(diǎn)。

正如本系列文章前面所述，減小功率放大器的導(dǎo)通角可以提高其效率。A類功率放大器的導(dǎo)通角為360度，理論效率為50%；B類功率放大器的導(dǎo)通角為180度，效率為78.5%。

這種提高效率的趨勢在C類放大器中繼續(xù)存在，C類放大器的導(dǎo)通角小于180度。例如，如圖1所示，導(dǎo)通角為90度的C類放大器的理論效率為94%。

最大效率與導(dǎo)通角。在90度導(dǎo)通角時(shí)，最大效率為94.04%。

圖1 最大效率與導(dǎo)通角的曲線圖。

遺憾的是，C類功率放大器存在幾個(gè)缺點(diǎn)，限制了它們在現(xiàn)代固態(tài)射頻電路中的應(yīng)用。首先，在輸入功率相同的情況下，它們產(chǎn)生的輸出功率遠(yuǎn)低于A類或B類放大器。如果我們檢查與A類或B類放大器具有相同輸出功率的C類放大器的設(shè)計(jì)，就會發(fā)現(xiàn)更多的限制。

在本文中，我們將通過比較必須向給定負(fù)載阻抗提供一定射頻功率的A類、B類和C類放大器的性能來探討這些限制。為了簡單起見，我們將在整篇文章中使用90度導(dǎo)通角的C類放大器。首先，我們來比較每種放大器的輸出晶體管所承載的最大電流。

晶體管電流要求

在上一篇文章中，我們了解了導(dǎo)通角如何改變輸出電流的頻率內(nèi)容。您可能從該討論中認(rèn)出了圖2。它繪制了A、B和C類放大器的平均（a0）和基波（a1）分量與導(dǎo)通角的關(guān)系圖。為了使這三種設(shè)計(jì)提供相同的功率，它們各自的輸出電流應(yīng)具有相同的基本分量。

輸出電流的平均分量和基波分量相對于導(dǎo)通角的曲線圖。

圖2:針對導(dǎo)電角的平均和基本分量。

請注意，此圖中的a0和a1系數(shù)已歸一化為IM，其中IM是晶體管電流的峰值。換句話說，假設(shè)IM為1。

A類晶體管電流

設(shè)A類級中的最大晶體管電流為IMA。從圖1中我們可以看到，A類級的基本分量歸一化為IMA為0.5。因此我們有：

方程式1。

如果不能立即弄清楚為什么基本組件是A類級最大電流的一半，請記住，這種類型的放大器將晶體管偏置在其負(fù)載線的中點(diǎn)。放大器的最大集電極電流是偏置電流和交流電流之和。

為了獲得最大的對稱擺幅，通過晶體管的直流電流應(yīng)等于傳輸?shù)截?fù)載的交流電流的幅度。圖3顯示了當(dāng)晶體管達(dá)到其負(fù)載線邊界時(shí)，A類放大器中集電極電流的變化情況。

在具有最大對稱擺幅的A類放大器中，集電極電流從0（a）變?yōu)樽畲笊漕l電流的兩倍（b）。

圖3. 在具有最大對稱擺幅的A類級中，最?。╝）和最大（b）集電極電流。

如您所見，集電極電流從零變?yōu)樽畲笊漕l電流的兩倍。這與方程式1一致。

B類晶體管電流

B類放大器呢？設(shè)B類級的最大集電極電流為IMB。圖1顯示，B類級的歸一化基波分量也為0.5，因此：

方程式2。

由此，我們可以看出，對于給定的最大晶體管電流，A類和B類放大器產(chǎn)生相同的基本分量。

C類晶體管電流

C類放大器的基本組件取決于其導(dǎo)電角。我們假設(shè)導(dǎo)電角θc = 90度，對應(yīng)于歸一化基本組件0.31（圖1）。因此，我們有：

方程式3。

其中IMC是C類級的最大集電極電流。

比較晶體管電流

方程式4。

求解IMC，我們得到：

方程式5。

C類放大器的峰值電流是A類或B類放大器的1.6倍。請注意，我們的計(jì)算基于具有90度導(dǎo)通角的C類放大器。導(dǎo)通角小于90度的C類放大器相對于A類或B類放大器具有更高的峰值電流。

這里的關(guān)鍵是，丙類放大器中的晶體管必須處理更大的電流才能產(chǎn)生相同的輸出功率。實(shí)際上，這意味著放大器需要更大的晶體管。我們進(jìn)一步減小導(dǎo)通角，峰值電流就越高，晶體管就需要越大。這可能會產(chǎn)生問題——一方面，更大的晶體管會導(dǎo)致匹配帶寬降低。

晶體管尺寸要求是一個(gè)主要缺點(diǎn)。還有其他高效的功率放大器配置不需要如此大的晶體管，這些配置在現(xiàn)代固態(tài)射頻設(shè)計(jì)中已經(jīng)取代了C類操作。

在挑選晶體管時(shí)，我們還需要考慮放大器的最大電壓。正如我們將在下一節(jié)中看到的，丙類操作在這里也會遇到問題。

反向擊穿電壓問題

在具有小導(dǎo)通角的放大器中，將輸出電流擺動到其最大允許值需要將大電壓施加到晶體管的輸入端。要理解其原因，請考慮圖4中的電壓波形。

使用小導(dǎo)通角時(shí)需要較大的輸入電壓。

圖4. 使用小導(dǎo)通角時(shí)需要較大的輸入電壓。

在上述圖表中：

θc是放大器的導(dǎo)通角。

VT是晶體管的開啟電壓。

Vmax是產(chǎn)生最大輸出電流的輸入電壓。

Vmax和VT之間的差值應(yīng)足夠大，以便當(dāng)輸入為Vmax時(shí)，晶體管能夠產(chǎn)生其最大電流。然而，超過VT的輸入部分僅對應(yīng)于RF周期的一小部分（小導(dǎo)通角）。因此，需要非常大的驅(qū)動信號。

現(xiàn)在考慮輸入的負(fù)擺幅。當(dāng)輸入電壓接近其最小值時(shí)，輸出電壓擺動到其最大值。這會在集電極-基極端子之間產(chǎn)生較大的電壓，這可能會導(dǎo)致集電極-基極結(jié)擊穿。這種反向擊穿會損壞晶體管，并導(dǎo)致從集電極到發(fā)射極的大電流不受控制地流動。

失真和非線性

為了了解導(dǎo)通角如何影響線性度，比較設(shè)計(jì)用于相同輸出功率的A、B和C類放大器的輸出電流波形是有益的。這些波形如圖5所示，可以按如下方式讀取：

紫色曲線對應(yīng)360度導(dǎo)電角（A類運(yùn)行）。

品紅色曲線對應(yīng)180度導(dǎo)通角（B類操作）。

橙色曲線對應(yīng)90度導(dǎo)通角（C類操作）。

A類、B類和C類放大器的電流波形。

圖5。A類（紫色）、B類（洋紅色）和C類（橙色）放大器的電流波形。

藍(lán)色虛線曲線是振幅為IRF、偏移量為IQ的負(fù)值的正弦波。C類波形是該正弦波的一部分。

藍(lán)色曲線提醒我們，當(dāng)我們使用非360度的導(dǎo)通角時(shí)，輸出電流僅在周期的一部分是正弦曲線段。在周期的其余部分，輸出電流為零。由于輸入波形是純正弦曲線，因此輸出波形相對于它明顯失真。根據(jù)這個(gè)定義，只有A類放大器是線性的。

然而，在功率放大器的背景下，我們也可以根據(jù)輸出端基波分量的功率隨輸入功率的變化來定義線性度。即使放大器涉及高度非線性的過程，其整體輸入輸出特性仍然可以是線性的。請注意，這種線性度的定義假設(shè)輸出的所有諧波分量都被輸出端的高Q諧振電路短路。

圖6展示了放大器電流波形的二次和三次諧波（a2和a3）隨其導(dǎo)通角的變化情況，以及平均和基本分量（a0和a1）。使用此圖，讓我們重新檢查A、B和C類放大器的線性度。

輸出電流的平均值和前三個(gè)頻率分量與導(dǎo)通角的關(guān)系。

圖6 輸出電流的平均值和前三個(gè)諧波頻率分量與導(dǎo)通角的關(guān)系。

A類和B類放大器的線性度

由于沒有對信號進(jìn)行削波，因此A類操作仍被假定為線性操作。在圖6中，二次和三次諧波分量在360度導(dǎo)通角時(shí)均為零。

乙類級的輸入信號相對于晶體管的導(dǎo)通點(diǎn)是呈對稱的。在180度導(dǎo)通角處存在二次諧波分量，但三次諧波為零。改變輸入信號的幅度不會影響導(dǎo)通角。

因此，B類級輸出端基本元件的功率與輸入功率成正比。從這個(gè)意義上說，單晶體管B類放大器是線性的。B類級的輸入驅(qū)動功率降低會導(dǎo)致輸出功率等量降低。

丙類放大器的線性度

對于小于180度的導(dǎo)通角（C類操作），我們在圖6中可以看到存在二次和三次諧波分量。C類放大器使用較窄的脈沖來實(shí)現(xiàn)更高的效率，并且其導(dǎo)通角隨輸入信號的幅度而變化?；仡檲D5可以幫助您形象化這一點(diǎn)。

對于給定的偏置點(diǎn)，減小輸入信號的幅度會減小導(dǎo)通角，從而減小級的增益。這意味著即使我們考慮輸出相對于輸入功率的基波分量，C類放大器也不是線性的。例如，將輸入功率降低3 dB可能會使輸出基波功率降低3 dB以上。

AB類放大器的線性度

另外，即使使用完全線性的晶體管，AB類放大器（即導(dǎo)通角在180到360度之間的放大器）也是非線性的。這是因?yàn)榉糯笃鞯膶?dǎo)通角隨驅(qū)動電平而變化。

然而，應(yīng)該注意的是，現(xiàn)實(shí)世界中的晶體管是非線性設(shè)備，因此在現(xiàn)實(shí)世界中，所有類別的放大器都具有某種非線性。在實(shí)踐中，AB類放大器為調(diào)幅信號提供了最佳的線性度。由于AB類放大器從效率的角度來看也是有優(yōu)勢，因此它們通常用于涉及調(diào)幅的應(yīng)用中。

抑制諧波分量

回到我們的主要討論話題，我們還沒有提到C類工作模式的最后一個(gè)問題：即輸出電流的諧波分量大于A類和B類放大器的諧波分量。當(dāng)我們使用越來越小的導(dǎo)通角時(shí)，這一點(diǎn)尤其如此（圖6）。因此，我們需要更高Q值的諧振電路來抑制諧波分量。

總結(jié)

C類放大器在真空管時(shí)代比現(xiàn)在更常見——事實(shí)上，現(xiàn)代真空管應(yīng)用仍然受益于C類放大器的高效率。然而，它們在現(xiàn)代射頻半導(dǎo)體電路中很少使用。固態(tài)設(shè)計(jì)通常使用其他類型的放大器，這些放大器提供了高效率，而不會引起我們在本文中列舉的問題。我們將在以后的文章中討論其中的一些配置。