C类放大器

2022-05-20

C类放大器

尽管存在差异，但我们在之前关于A类、B类和AB 类放大器的教程中已经看到，这三个类是線(xiàn)性或部分(fēn)線(xiàn)性的，因為(wèi)它们在放大过程中再现了信号的形状。这是因為(wèi)它们使用(yòng)了至少 50% 的输入信号，因此推挽配置中的两个晶體(tǐ)管的组合可(kě)以再现 100% 的信号。

但是，某些放大器可(kě)能(néng)会以一种根本不是線(xiàn)性的方式偏置，这就是本教程重点介绍的C 类放大器的情况。在第一节中，将详细介绍这种配置的结构，因為(wèi) C 类放大器的输出级与常规線(xiàn)性类完全不同。本段还将提到一般性。在接下来的部分(fēn)中，我们将通过关注输出/输入特性来了解这种类型的放大器是如何工作的。第三部分(fēn)将讨论 C 类偏置架构的效率。最后，最后一节将展示这种特殊放大器如何用(yòng)于现代電(diàn)子产品中。

C类放大的介绍

正如我们在AB 类放大器中看到的那样，C 类不是由单个工作点定义的，而是由一个工作區(qū)定义的。下图 1说明了这一事实：

图 1：C 类放大器的工作區(qū)

由于该工作區(qū)域超出了 B 类工作点，即 78.5% 的效率和 180° 的导通角，因此 C 类放大器的特点是具有(yǒu)78.5% 和 100%之间的非常高的效率，我们将在第三部分(fēn)中详细介绍部分(fēn)。此外，它们的传导角非常小(xiǎo)，介于0° 和 180°之间，这意味着它们传导的信号不到一半。正如我们稍后将看到的，正是这一事实使它们成為(wèi)非線(xiàn)性的。

C 类放大器主要用(yòng)于高频应用(yòng)，它们会产生许多(duō)谐波，必须过滤这些谐波才能(néng)忠实地再现输入信号。例如，可(kě)以使用(yòng)图 2 所示的 RLC 電(diàn)路来完成此过滤，该電(diàn)路代表了C 类放大器的基本结构：

图 2：C 类放大器的基本结构

RLC 電(diàn)路（也称為(wèi)“電(diàn)路停止器”）的目的是消除不需要的频率并仅保持输入信号的基频 f 1。

在实践中，负载通过变压器耦合到谐振電(diàn)路，如图 3 所示。

图 3：变压器耦合 C 类放大器

正如A 类放大器教程中已经介绍的那样，这种变压器耦合配置可(kě)确保负载与電(diàn)源隔离，并且还用(yòng)于实现阻抗匹配。此外，基极通过分(fēn)压器网络偏置。在下一节中，我们将始终参考图 3電(diàn)路。

C类功能(néng)

本节的第一个目标是以图形方式表示输出電(diàn)流 I C。為(wèi)此，我们将使用(yòng)传输特性 I C =f(V BE )，其中 V BE是基极-发射极電(diàn)压差。

我们承认，这种传输特性是近似線(xiàn)性的，如图 4所示。第一段在原点和阈值 V T之间，斜率為(wèi)零。第二段从V T延续并具有(yǒu)g m的斜率（跨导）。

图 4：输出電(diàn)流的图形表示

从图 4中我们可(kě)以看出，输出電(diàn)流可(kě)以描述為(wèi)“脉冲”。它可(kě)以通过两个重要参数来表征：峰值電(diàn)流I CM和界定脉冲信号的δ值。有(yǒu)趣的是，导通角等于2δ，表示输出電(diàn)流不等于 0 的電(diàn)角度。

如果C类放大器的输出级没有(yǒu)電(diàn)路限流器而只有(yǒu)一个负载，则電(diàn)流和電(diàn)压都是脉冲的，如图4所示，这种工作模式称為(wèi)未调谐模式。正如上一节中更详细地解释的那样，正确选择乘积 L×C 的值可(kě)以导致调谐模式下的功能(néng)模式。在这种模式下，特定频率的脉冲由 RLC 電(diàn)路过滤，以重新(xīn)生成输入信号的正弦波，从而实现忠实放大。

如果我们认為(wèi)输入信号的形式為(wèi)V in (t)=V I ×sin(2πf 1 t)，则可(kě)以在等式 1中给出一个重要的公式，并将输出電(diàn)流 I CM的最大值与幅值联系起来输入信号 V I：

eq 1 : 输出電(diàn)流最大值的表达式

从这个方程可(kě)以看出，传导角对放大过程的影响很(hěn)大。下图表示 I CM在 C 类區(qū)间 ]0° 内导通角的演变；180°[，即δ值在]0°范围内；

图 5：I CM =f(δ)。用(yòng) MatLab ®绘制

我们可(kě)以清楚地注意到，当导通角增加时，输出電(diàn)流的最大值会快速下降。该图概述了 C 类配置的效率：导通角越小(xiǎo)，输出電(diàn)流越高。

在调谐功能(néng)模式下，输出電(diàn)压可(kě)以简单地写為(wèi)V out =V supply +kV supply ×sin(2πf 1 t+π) 形式。它被放大 kV電(diàn)源，相移 π rad 并呈现等于 V電(diàn)源的偏移。请注意，k称為(wèi)变压器耦合因子，在 [0;1] 范围内。该系数突出了所用(yòng)变压器的质量，例如，完美的变压器的耦合系数為(wèi) 1。

C类放大器的效率

演示 C 类放大器效率η公式的方法和步骤涉及积分(fēn)微积分(fēn)，本教程未展示。下面的公式 2中给出了将效率与参数δ和k联系起来的公式：

eq 2：C类放大器的效率

在下面给出的图表中可(kě)视化效率对两个参数的依赖性是很(hěn)有(yǒu)趣的：

图 6：C 类放大器的效率。

使用(yòng) k=1 的理(lǐ)想变压器可(kě)实现最佳效率。此外，我们可(kě)以强调，如果 k=1 且导通角為(wèi) 180°（δ=90°），我们处于 B 类配置中，我们认识到最大效率為(wèi)78.5%。

当k=1 和零导通角时，可(kě)以达到100%的理(lǐ)论最大效率。然而，对于这样的值，传递给负载的有(yǒu)用(yòng)功率為(wèi)零，因此无法实现这样的效率。

C类放大器的一种应用(yòng)：倍频器

图 3所示電(diàn)路的一个有(yǒu)趣方面是谐振電(diàn)路可(kě)以与输入信号的频率匹配，也可(kě)以与其中的一个谐波匹配。谐波是n×f 1形式的输入信号的频率 f 1的倍数，其中 n 為(wèi)整数。

為(wèi)了实现这种频率匹配，乘积 L×C 必须满足等式 3中提出的关系：

eq 3 : 频率匹配关系

由于集電(diàn)极電(diàn)流，如图 4 所示，是一个脉冲信号，它的频谱已经包含了基频 f 1和后续的谐波 f 2 =2×f 1，f 3 =3×f 1，……如果一个频率為(wèi)某个谐波建立匹配，例如 f 3，该特定频率将优于所有(yǒu)其他(tā)频率。在这种情况下，電(diàn)压输出是频率為(wèi) f 3且幅度為(wèi) R L ×I C的正弦信号。

下面的图 7总结了倍频器的这个功能(néng)：

图 7：倍频器原理(lǐ)

结论

C 类放大器的效率高于 A、B 或 AB 类。然而，它们的传导角在 0° 和 180° 之间非常低，这意味着它们只传导一小(xiǎo)部分(fēn)信号。这一事实导致放大器的線(xiàn)性度较差，電(diàn)压和電(diàn)流输出都非常失真，因為(wèi)它们存在大量谐波。

為(wèi)了克服这个问题，C 类放大器的输出级必须连接到通常所说的停止電(diàn)路。该滤波器由并联RLC布置组成，仅选择要放大的所需谐波，如果需要忠实放大，则 RLC 電(diàn)路与输入信号的基频相匹配。電(diàn)感通常由变压器代替，以便将负载与電(diàn)源正确隔离并匹配阻抗。

我们在第二部分(fēn)已经看到可(kě)以出现两种功能(néng)模式：

如果停止電(diàn)路与初始信号的任何特定谐波不匹配，则输出信号是脉冲的：这是未调谐模式。

如果停止電(diàn)路调谐到基频或任何谐波，则 C 类放大器变為(wèi)線(xiàn)性，输出信号為(wèi)正弦波：这是调谐模式。

稍后，我们讨论了C 类放大器的效率，我们得出结论，对于耦合因子趋于 1 和低导通角趋于 0 的理(lǐ)想变压器，更可(kě)能(néng)出现高效率。但是，无法提供有(yǒu)用(yòng)的功率到具有(yǒu)这样一个导電(diàn)角的负载。在实践中，一个好的折衷方案是将角度设置為(wèi) 120°，以获得良好的效率和足够高的传导输入信号分(fēn)数。

最后，我们看到 C 类放大器可(kě)以调谐到输入信号的任何高次谐波，以实现倍频電(diàn)路。因此，C 类放大器适用(yòng)于频率合成器和電(diàn)信应用(yòng)的设计。