C類(lèi)放大器

2022-05-20

C類(lèi)放大器

盡管存在差異，但我們在之前關(guān)于A類(lèi)、B類(lèi)和AB 類(lèi)放大器的教程中已經(jīng)看到，這三個(gè)類(lèi)是線(xiàn)性或部分線(xiàn)性的，因為它們在放大過(guò)程中再現了信號的形狀。這是因為它們使用了至少 50% 的輸入信號，因此推挽配置中的兩個(gè)晶體管的組合可以再現 100% 的信號。

但是，某些放大器可能會(huì )以一種根本不是線(xiàn)性的方式偏置，這就是本教程重點(diǎn)介紹的C 類(lèi)放大器的情況。在第一節中，將詳細介紹這種配置的結構，因為 C 類(lèi)放大器的輸出級與常規線(xiàn)性類(lèi)完全不同。本段還將提到一般性。在接下來(lái)的部分中，我們將通過(guò)關(guān)注輸出/輸入特性來(lái)了解這種類(lèi)型的放大器是如何工作的。第三部分將討論 C 類(lèi)偏置架構的效率。最后，最后一節將展示這種特殊放大器如何用于現代電子產(chǎn)品中。

C類(lèi)放大的介紹

正如我們在AB 類(lèi)放大器中看到的那樣，C 類(lèi)不是由單個(gè)工作點(diǎn)定義的，而是由一個(gè)工作區定義的。下圖 1說(shuō)明了這一事實(shí)：

圖 1：C 類(lèi)放大器的工作區

由于該工作區域超出了 B 類(lèi)工作點(diǎn)，即 78.5% 的效率和 180° 的導通角，因此 C 類(lèi)放大器的特點(diǎn)是具有78.5% 和 100%之間的非常高的效率，我們將在第三部分中詳細介紹部分。此外，它們的傳導角非常小，介于0° 和 180°之間，這意味著(zhù)它們傳導的信號不到一半。正如我們稍后將看到的，正是這一事實(shí)使它們成為非線(xiàn)性的。

C 類(lèi)放大器主要用于高頻應用，它們會(huì )產(chǎn)生許多諧波，必須過(guò)濾這些諧波才能忠實(shí)地再現輸入信號。例如，可以使用圖 2 所示的 RLC 電路來(lái)完成此過(guò)濾，該電路代表了C 類(lèi)放大器的基本結構：

圖 2：C 類(lèi)放大器的基本結構

RLC 電路（也稱(chēng)為“電路停止器”）的目的是消除不需要的頻率并僅保持輸入信號的基頻 f 1。

在實(shí)踐中，負載通過(guò)變壓器耦合到諧振電路，如圖 3 所示。

圖 3：變壓器耦合 C 類(lèi)放大器

正如A 類(lèi)放大器教程中已經(jīng)介紹的那樣，這種變壓器耦合配置可確保負載與電源隔離，并且還用于實(shí)現阻抗匹配。此外，基極通過(guò)分壓器網(wǎng)絡(luò )偏置。在下一節中，我們將始終參考圖 3電路。

C類(lèi)功能

本節的第一個(gè)目標是以圖形方式表示輸出電流 I C。為此，我們將使用傳輸特性 I C =f(V BE )，其中 V BE是基極-發(fā)射極電壓差。

我們承認，這種傳輸特性是近似線(xiàn)性的，如圖 4所示。第一段在原點(diǎn)和閾值 V T之間，斜率為零。第二段從V T延續并具有g m的斜率（跨導）。

圖 4：輸出電流的圖形表示

從圖 4中我們可以看出，輸出電流可以描述為“脈沖”。它可以通過(guò)兩個(gè)重要參數來(lái)表征：峰值電流I CM和界定脈沖信號的δ值。有趣的是，導通角等于2δ，表示輸出電流不等于 0 的電角度。

如果C類(lèi)放大器的輸出級沒(méi)有電路限流器而只有一個(gè)負載，則電流和電壓都是脈沖的，如圖4所示，這種工作模式稱(chēng)為未調諧模式。正如上一節中更詳細地解釋的那樣，正確選擇乘積 L×C 的值可以導致調諧模式下的功能模式。在這種模式下，特定頻率的脈沖由 RLC 電路過(guò)濾，以重新生成輸入信號的正弦波，從而實(shí)現忠實(shí)放大。

如果我們認為輸入信號的形式為V in (t)=V I ×sin(2πf 1 t)，則可以在等式 1中給出一個(gè)重要的公式，并將輸出電流 I CM的最大值與幅值聯(lián)系起來(lái)輸入信號 V I：

eq 1 : 輸出電流最大值的表達式

從這個(gè)方程可以看出，傳導角對放大過(guò)程的影響很大。下圖表示 I CM在 C 類(lèi)區間 ]0° 內導通角的演變；180°[，即δ值在]0°范圍內；

圖 5：I CM =f(δ)。用 MatLab ?繪制

我們可以清楚地注意到，當導通角增加時(shí)，輸出電流的最大值會(huì )快速下降。該圖概述了 C 類(lèi)配置的效率：導通角越小，輸出電流越高。

在調諧功能模式下，輸出電壓可以簡(jiǎn)單地寫(xiě)為V out =V supply +kV supply ×sin(2πf 1 t+π) 形式。它被放大 kV電源，相移 π rad 并呈現等于 V電源的偏移。請注意，k稱(chēng)為變壓器耦合因子，在 [0;1] 范圍內。該系數突出了所用變壓器的質(zhì)量，例如，完美的變壓器的耦合系數為 1。

C類(lèi)放大器的效率

演示 C 類(lèi)放大器效率η公式的方法和步驟涉及積分微積分，本教程未展示。下面的公式 2中給出了將效率與參數δ和k聯(lián)系起來(lái)的公式：

eq 2：C類(lèi)放大器的效率

在下面給出的圖表中可視化效率對兩個(gè)參數的依賴(lài)性是很有趣的：

圖 6：C 類(lèi)放大器的效率。

使用 k=1 的理想變壓器可實(shí)現最佳效率。此外，我們可以強調，如果 k=1 且導通角為 180°（δ=90°），我們處于 B 類(lèi)配置中，我們認識到最大效率為78.5%。

當k=1 和零導通角時(shí)，可以達到100%的理論最大效率。然而，對于這樣的值，傳遞給負載的有用功率為零，因此無(wú)法實(shí)現這樣的效率。

C類(lèi)放大器的一種應用：倍頻器

圖 3所示電路的一個(gè)有趣方面是諧振電路可以與輸入信號的頻率匹配，也可以與其中的一個(gè)諧波匹配。諧波是n×f 1形式的輸入信號的頻率 f 1的倍數，其中 n 為整數。

為了實(shí)現這種頻率匹配，乘積 L×C 必須滿(mǎn)足等式 3中提出的關(guān)系：

eq 3 : 頻率匹配關(guān)系

由于集電極電流，如圖 4 所示，是一個(gè)脈沖信號，它的頻譜已經(jīng)包含了基頻 f 1和后續的諧波 f 2 =2×f 1，f 3 =3×f 1，……如果一個(gè)頻率為某個(gè)諧波建立匹配，例如 f 3，該特定頻率將優(yōu)于所有其他頻率。在這種情況下，電壓輸出是頻率為 f 3且幅度為 R L ×I C的正弦信號。

下面的圖 7總結了倍頻器的這個(gè)功能：

圖 7：倍頻器原理

結論

C 類(lèi)放大器的效率高于 A、B 或 AB 類(lèi)。然而，它們的傳導角在 0° 和 180° 之間非常低，這意味著(zhù)它們只傳導一小部分信號。這一事實(shí)導致放大器的線(xiàn)性度較差，電壓和電流輸出都非常失真，因為它們存在大量諧波。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，C 類(lèi)放大器的輸出級必須連接到通常所說(shuō)的停止電路。該濾波器由并聯(lián)RLC布置組成，僅選擇要放大的所需諧波，如果需要忠實(shí)放大，則 RLC 電路與輸入信號的基頻相匹配。電感通常由變壓器代替，以便將負載與電源正確隔離并匹配阻抗。

我們在第二部分已經(jīng)看到可以出現兩種功能模式：

如果停止電路與初始信號的任何特定諧波不匹配，則輸出信號是脈沖的：這是未調諧模式。

如果停止電路調諧到基頻或任何諧波，則 C 類(lèi)放大器變?yōu)榫€(xiàn)性，輸出信號為正弦波：這是調諧模式。

稍后，我們討論了C 類(lèi)放大器的效率，我們得出結論，對于耦合因子趨于 1 和低導通角趨于 0 的理想變壓器，更可能出現高效率。但是，無(wú)法提供有用的功率到具有這樣一個(gè)導電角的負載。在實(shí)踐中，一個(gè)好的折衷方案是將角度設置為 120°，以獲得良好的效率和足夠高的傳導輸入信號分數。

最后，我們看到 C 類(lèi)放大器可以調諧到輸入信號的任何高次諧波，以實(shí)現倍頻電路。因此，C 類(lèi)放大器適用于頻率合成器和電信應用的設計。