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，这三个类是线性或部分线性的，因为它们在放大过程中再现了信号的形状。这是因为它们使用了至少 50% 的输入信号，因此推挽配置中的两个晶体管的组合可以再现 100% 的信号。

但是，某些放大器可能会以一种根本不是线性的方式偏置，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，因为 C 类放大器的输出级与常规线性类完全不同。本段还将提到一般性。在接下来的部分中，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于现代电子产品中。

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，而是由一个工作区定义的。下图 1说明了这一事实：

图 1：C 类放大器的工作区

由于该工作区域超出了 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78.5% 和 100%之间的非常高的效率，我们将在第三部分中详细介绍部分。此外，它们的传导角非常小，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为非线性的。

C 类放大器主要用于高频应用，它们会产生许多谐波，必须过滤这些谐波才能忠实地再现输入信号。例如，可以使用图 2 所示的 RLC 电路来完成此过滤，该电路代表了C 类放大器的基本结构：

图 2：C 类放大器的基本结构

RLC 电路（也称为“电路停止器”）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电路，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确保负载与电源隔离，并且还用于实现阻抗匹配。此外，基极通过分压器网络偏置。在下一节中，我们将始终参考图 3电路。

C类功能

本节的第一个目标是以图形方式表示输出电流 I C。为此，我们将使用传输特性 I C =f(V BE )，其中 V BE是基极-发射极电压差。

我们承认，这种传输特性是近似线性的，如图 4所示。第一段在原点和阈值 V T之间，斜率为零。第二段从V T延续并具有g m的斜率（跨导）。

图 4：输出电流的图形表示

从图 4中我们可以看出，输出电流可以描述为“脉冲”。它可以通过两个重要参数来表征：峰值电流I CM和界定脉冲信号的δ值。有趣的是，导通角等于2δ，表示输出电流不等于 0 的电角度。

如果C类放大器的输出级没有电路限流器而只有一个负载，则电流和电压都是脉冲的，如图4所示，这种工作模式称为未调谐模式。正如上一节中更详细地解释的那样，正确选择乘积 L×C 的值可以导致调谐模式下的功能模式。在这种模式下，特定频率的脉冲由 RLC 电路过滤，以重新生成输入信号的正弦波，从而实现忠实放大。

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

eq 1 : 输出电流最大值的表达式

从这个方程可以看出，传导角对放大过程的影响很大。下图表示 I CM在 C 类区间 ]0° 内导通角的演变；180°[，即δ值在]0°范围内；

图 5：I CM =f(δ)。用 MatLab ®绘制

我们可以清楚地注意到，当导通角增加时，输出电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，输出电流越高。

在调谐功能模式下，输出电压可以简单地写为V out =V supply +kV supply ×sin(2πf 1 t+π) 形式。它被放大 kV电源，相移 π rad 并呈现等于 V电源的偏移。请注意，k称为变压器耦合因子，在 [0;1] 范围内。该系数突出了所用变压器的质量，例如，完美的变压器的耦合系数为 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微积分，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视化效率对两个参数的依赖性是很有趣的：

图 6：C 类放大器的效率。

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

当k=1 和零导通角时，可以达到100%的理论最大效率。然而，对于这样的值，传递给负载的有用功率为零，因此无法实现这样的效率。

C类放大器的一种应用：倍频器

图 3所示电路的一个有趣方面是谐振电路可以与输入信号的频率匹配，也可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 为整数。

为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

由于集电极电流，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，……如果一个频率为某个谐波建立匹配，例如 f 3，该特定频率将优于所有其他频率。在这种情况下，电压输出是频率为 f 3且幅度为 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：

图 7：倍频器原理

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部分信号。这一事实导致放大器的线性度较差，电压和电流输出都非常失真，因为它们存在大量谐波。

为了克服这个问题，C 类放大器的输出级必须连接到通常所说的停止电路。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 电路与输入信号的基频相匹配。电感通常由变压器代替，以便将负载与电源正确隔离并匹配阻抗。

我们在第二部分已经看到可以出现两种功能模式：

如果停止电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。

如果停止电路调谐到基频或任何谐波，则 C 类放大器变为线性，输出信号为正弦波：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 的理想变压器，更可能出现高效率。但是，无法提供有用的功率到具有这样一个导电角的负载。在实践中，一个好的折衷方案是将角度设置为 120°，以获得良好的效率和足够高的传导输入信号分数。

最后，我们看到 C 类放大器可以调谐到输入信号的任何高次谐波，以实现倍频电路。因此，C 类放大器适用于频率合成器和电信应用的设计。