深入理解C类功率放大器

多年来，为了满足不同应用的需求，已经开发了多种功率放大器拓扑结构。其中一些放大器类别，包括我们将要讨论的类别，是根据其导通角(θc)本系列文章的前几篇已经讨论了A类和B类放大器。在A类放大器中，晶体管始终处于导通状态，因此导通角为360度。而在B类放大器中，晶体管仅在信号周期的一半时间内导通，导通角为180度。

我们了解到，通过减小导通角，我们可以将效率从A类的50%提高到B类的78.5%。但如果进一步减小导通角，效率会发生什么变化呢？

导通角小于180度的功率放大器被称为C类放大器。本文将详细分析C类放大器的工作原理，并探讨导通角减小对功率放大器各种性能参数的影响。最后，我们将通过经典的综合分析来比较A类、B类和C类放大器的性能。

C类放大器中的电流和电压波形

在C类放大器中，晶体管在输入周期中导通的时间少于一半。受到窄脉冲的刺激，晶体管在输出端产生一个短暂的电流脉冲。图1中的橙色曲线展示了C类放大器在导通角θc下的一个周期内的集电极电流。

图 1.具有导通角θc 类级的电流波形 

从图中可以看到，当晶体管处于激活状态时，输出电流是正弦波的一部分，当晶体管截止时，输出电流为零。完整的正弦波（图中蓝色曲线）具有负偏移IQ和幅度IRF。这里的DC偏移IQ类似于线性放大器中的偏置电流，但在C类放大器中是负的。因此，输出电流可以用以下表达式描述：

通过改变IQ，我们还可以产生A类和B类放大器的波形。例如，当IQ=0时，导通角为180度（B类）。因此，我们可以使用上述波形来考察所有三种放大器类别（A类、B类和C类）的性能。

图2比较了接近完美的A类、B类和C类放大器的晶体管电流和输出电压波形。

图 2. A、B和C类放大器的电流（a）和电压（b）波形

C类放大器的电路原理图

图3展示了C类放大器的基本电路原理图。放大器输出端的高Q谐振腔用绿色标记。

图3.C类放大器的基本原理图

根据我们为晶体管选择的静态偏置点，上述原理图也可用于构建A类放大器或单晶体管B类放大器。A类放大器是这三种类型中最线性的，可能使用具有相对较低Q因子的谐振电路。

在线性度的另一端，C类放大器在输出端产生一系列短电流脉冲。高Q谐振电路短路输出电流谐波，并减少由不可避免的非线性引起的带外发射。请注意，高Q谐振电路必然意味着窄带操作。

波形分析

在分析C类放大器时，我们做出以下假设：

尽管这些假设在实践中不一定完全准确，但它们允许我们简化电路分析。考虑到这一点，让我们来考察C类放大器的性能。

由于高Q谐振器的作用，实际传递到负载的功率位于基频上。因此，为了找到输出功率，我们需要分析输出电流波形的频率成分。通过改变波形的时间原点，我们可以简化这一分析。图4展示了C类放大器中一个周期的集电极电流，该波形关于垂直轴对称。

图4：C类放大器中一个周期的集电极电流

上述波形可以用余弦函数描述为：

使用傅里叶级数，我们可以将输出电流表示为其组成频率分量的形式：

其中，an表示第n次谐波的傅里叶系数。为了找到C类放大器的效率和输出功率，我们只需要知道电流波形的平均值（(a0）和基波分量（a1）。不详细展开所有数学计算，结果如下列公式所示：

其中，ϕ 等于导通角的一半

图5 展示了平均值和基波分量与导通角的关系。

图5.平均分量和基本分量与传导角的关系。

该图显示了将 a0 和 a1系数归一化到  IM （或等价地，假设 IM 为单位1）后的结果。我们稍后将回到这些结果。首先，让我们计算C类放大器的效率。

假设高Q谐振器消除了更高次谐波分量，则交流输出电压可以通过公式5计算为：

其中， RL是负载电阻。

因此，传递到负载的平均功率为：

为了计算电源提供的功率，我们将从电源抽取的电流的平均值乘以电源电压。电流的平均值为a0 ，因此：

从公式7和公式8中，我们可以计算出效率：

在适当的负载电阻下，电流的基波分量会产生最大允许电压摆幅。最大电压摆幅的幅度为 VCC。因此，从公式6可以看出，当满足以下条件时，效率达到最大：

由于高Q谐振器消除了更高的谐波分量，因此可以使用傅里叶级数分析输出电流的频率成分来计算AC输出电压和功率。通过一系列数学计算，我们可以得到C类放大器的最大效率公式，并将其绘制成图6中的曲线。

图6.

接下来，我们将通过一个示例来进一步说明这些公式的应用。

示例：为C类放大器选择最大电流规格

输出电流的基波分量（a1）决定了传递到负载的功率。从公式7中，我们有：

在这个例子中，我们是在最大效率下工作的。因此，我们知道RLa1 = VCC（公式10）。由于 VCC=12V，我们有 RLa1 = VCC=12V。将12V的值代入公式13，我们可以得到基波分量的幅度：

从图7中，它再现了最大效率与导通角的关系图，我们观察到 ηmax=85% 对应于 θc=147∘。

图7. 在导通角为 θc=147∘ 时，最大效率达到85%。

在导通角为 θc=147∘ 时，a1的归一化值为0.45（图8）。

图8. 在导通角为 147∘ 时，归一化的基波分量为0.45。

换句话说，我们有：

晶体管应能够处理的最大电流为9.27A。晶体管所经历的最大电压为24V，即电源电压的两倍（2VCC=2×12V=24V）。

比较A类、B类和C类操作

通过改变导通角，我们可以观察到对以下性能参数的影响：

- 电源功率

- 输出功率

- 最大效率

减小导通角会降低从电源抽取的平均功率，但也会降低输出功率。然而，效率会随着导通角的减小而增加，尽管输出功率也会相应降低。

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