B類功率放大器介紹

B類功率放大器是如何工作的？是什么讓它比A類功率放大器更高效？在這篇文章中了解答案。

高效射頻功率放大器（PA）在許多應(yīng)用中都至關(guān)重要，從手持通信設(shè)備到大型有源元件相控陣天線。例如，在上述手持設(shè)備中，更高的效率意味著更低的功耗，從而可以延長通話時間。

我們在之前的文章中了解到，電感性負(fù)載的A類放大器提供的最大可獲得效率僅為50%。本文介紹了B類功率放大器，其理論最大效率為78.5%。在討論了B類放大器的基本特性后，我們將探討效率差異的原因。

請注意，本文中使用的分析表達(dá)式是近似的，因?yàn)樗鼈兩婕按笮盘柡蛷?qiáng)非線性，功率放大器級難以分析。然而，這些數(shù)字仍然有助于我們很好地理解電路的行為。

B類功率放大器特性

在B類放大器中，晶體管被偏置到剛好低于其導(dǎo)通點(diǎn)。當(dāng)沒有完全導(dǎo)通時，晶體管被輸入信號的正半周期驅(qū)動導(dǎo)通。對于信號的另一半周期，當(dāng)輸入信號為負(fù)時，晶體管保持截止?fàn)顟B(tài)。如圖1所示。

晶體管作為B類功率放大器工作的示意圖。

圖1. 晶體管作為B類功率放大器的操作。圖片由Steve Arar提供

對于雙極型晶體管，我們需要將基極-發(fā)射極結(jié)偏置在大約0.7 V。對于FET器件，柵極-源極偏置在夾斷狀態(tài)。這些偏置點(diǎn)允許輸入的正半周期驅(qū)動晶體管導(dǎo)通。

傳導(dǎo)角度

我們將使用傳導(dǎo)角的概念來幫助我們描述功率放大器晶體管的工作。傳導(dǎo)角是晶體管導(dǎo)通的一個輸入周期的分?jǐn)?shù)，以角度或弧度表示。例如，在A類放大器中，晶體管始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，因此傳導(dǎo)角為360度。在B類放大器中，晶體管僅在信號周期的一半時間導(dǎo)通，因此傳導(dǎo)角為180度。

180度的精確導(dǎo)通角是一個數(shù)學(xué)概念，在實(shí)際應(yīng)用中，B類放大器的導(dǎo)通角可能與這個理論值略有不同。然而，導(dǎo)通角的概念仍然是分類不同類型功率放大器的一種有用方法。在本文的后面，我們將討論如何將導(dǎo)通角從360度減小到180度，從而使B類放大器級實(shí)現(xiàn)比A類設(shè)計(jì)更高的效率。

典型波形

由于B級晶體管的間歇導(dǎo)通，流經(jīng)晶體管的電流不是輸入信號的忠實(shí)再現(xiàn)（見圖1）。作為半波整流正弦波，輸出電流包含所施加信號的不同諧波。

如果我們讓這種失真的電流通過電阻負(fù)載，輸出電壓也會富含不同的諧波。然而，我們通常在輸出端有一個帶通或低通濾波器，可以充分抑制高次諧波分量。圖2顯示了一個單晶體管B類放大器。

單晶體管B類放大器的電路圖。

圖2:一個帶有單個晶體管的B類放大器示例。圖片由Steve Arar提供

RF扼流圈允許直流電流通過，但對RF信號而言，則相當(dāng)于開路。輸入RF扼流圈設(shè)定基極-發(fā)射極電壓的靜態(tài)值；集電極處的RF扼流圈提供晶體管的直流電流。負(fù)載是一個交流耦合電阻器（RL），在基頻處有一個高Q諧振電路。

通過縮短諧波分量，高Q諧振儲能電路使輸出電壓在基頻處呈正弦波。圖3顯示了接近理想A、B和C類放大器的晶體管電流和輸出電壓波形。

近理想A、B和C類放大器的電流和電壓波形。

圖3. A、B和C類放大器的電流（a）和電壓（b）波形。圖片由George Vendelin提供

我們可以假設(shè)諧振并聯(lián)LC網(wǎng)絡(luò)在輸出端提供了一些諧波濾波。然而，由于晶體管的間歇導(dǎo)通，在B類和C類級中仍可觀察到一些諧波失真。A類級的輸出電壓和電流波形幾乎未失真。

計(jì)算B類放大器的效率

現(xiàn)在我們已經(jīng)很好地了解了B類放大器的工作原理，讓我們計(jì)算一下單晶體管B類放大器的效率。假設(shè)晶體管電流是幅度為Ip、周期為T的半波整流正弦波，如圖4所示。

單晶體管B類放大器的輸出電流波形。

圖4. B類放大器晶體管的輸出電流。圖片由Steve Arar提供

使用傅里葉級數(shù)表示法，我們可以根據(jù)其組成頻率分量來表示輸出電流：

方程式1

其中?0是信號的角頻率。假設(shè)高Q諧振器消除了較高的諧波分量，則負(fù)載（RL）上的交流電壓可以計(jì)算為：

方程式2

現(xiàn)在我們有了輸出電壓，我們可以計(jì)算出傳遞給負(fù)載的均方根（rms）功率為：

方程式3

為了計(jì)算電源提供的功率，我們求出從電源中汲取的電流的平均值（圖4中的波形），并將其乘以電源電壓。根據(jù)方程1，半波整流信號的平均值為Ip/π。因此，電源提供的功率為：

方程式4

這個方程式，連同方程式3，給出了放大器的效率：

方程式5

為了找到放大器的最大效率，我們需要用VCC表示Ip的最大值。為了找到這種關(guān)系，請注意，輸出擺幅的最大幅度（由方程2給出）等于VCC。正如我們討論過的電感性負(fù)載A類放大器一樣，當(dāng)晶體管的集電極（或漏極）通過RF扼流圈偏置時，情況就是這樣。輸出的直流偏置是VCC；輸出可以在VCC之上和之下擺動。

因此，根據(jù)方程式2，我們有：

方程式6 

通過將上述公式替換為公式5中的Ip，我們找到了最大效率：

方程式7

與A類放大器相比的功率效率

為了更好地理解是什么使B類放大器比A類放大器更高效，讓我們先回顧一下是什么使A類放大器效率較低。

電感性負(fù)載的A類放大器提供相對較低的效率，因?yàn)榫w管始終處于偏置狀態(tài)，即使沒有施加信號，也會從電源中汲取恒定的直流電流。這導(dǎo)致大量功率消耗在晶體管中，而不是負(fù)載中。

圖5首次出現(xiàn)在“電感負(fù)載A類功率放大器簡介”中，展示了隨著集電極電流的增加，三個功率項(xiàng)在該類PA中的表現(xiàn)：

PCC：供電。

PL：負(fù)載功率。

PTran：晶體管功率。

該圖還繪制了放大器的功率效率（青色曲線）。

A類PA的電源功率、負(fù)載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關(guān)系圖。

圖5.電感性負(fù)載A類放大器的電源功率、負(fù)載功率、晶體管功率和功率效率與集電極電流的關(guān)系。圖片由Steve Arar提供

如您所見，在沒有交流信號的情況下，沒有功率被傳遞給負(fù)載。相反，晶體管耗散了電源提供的所有功率。然而，即使信號擺幅和效率達(dá)到最大值，晶體管中耗散的功率也等于傳遞給負(fù)載的功率。

那么，B類放大器是如何解決這個問題的呢？我們在圖3中看到，A類和B類放大器的輸出電壓幾乎相同。但是，當(dāng)我們比較導(dǎo)通角時，我們觀察到B類晶體管的電流在信號周期的相對較小部分中不為零。

通過減少漏極電流和漏極電壓同時為非零的信號周期的比例，B類放大器降低了晶體管中的功耗。這是以使輸出高度失真為代價實(shí)現(xiàn)的，可以通過加入高Q諧振器或使用推挽式配置來解決，我們將在后面的文章中討論。

與A類放大器相比的輸出功率

但是，對于給定的晶體管和電源電壓，B級放大器的輸出功率與A級放大器相比如何？正如我們已經(jīng)看到的，A級和B級放大器都可以具有大約VCC的最大擺幅。換句話說，假設(shè)晶體管的飽和電壓（VCE（sat））為零，峰峰擺幅將從零到2VCC。因此，給定電源電壓的輸出擺幅在兩種類型的放大器中是相同的。

現(xiàn)在，假設(shè)可以流過晶體管的最大電流被指定為Imax。通過電感性負(fù)載A級負(fù)載的最大交流電流為Imax/2，另一半Imax在晶體管中損失。當(dāng)B級晶體管以其最大電流工作時，圖4所示的半波整流電流（Ip）的峰值等于Imax。

當(dāng)Ip=Imax時，電流基波分量的幅值為Imax/2（方程1），這也等于A類放大器的負(fù)載電流擺動。這意味著，在給定相同的晶體管規(guī)格和相同的電源電壓的情況下，A類和B類級可以產(chǎn)生相同的最大交流電流和輸出電壓。（在本分析中，我們忽略了擊穿電壓對偏置點(diǎn)和電壓擺動的影響）。

因此，A類和B類設(shè)計(jì)都可以產(chǎn)生相同的最大輸出功率。此外，由于電壓和電流擺動相同，兩種設(shè)計(jì)的最佳負(fù)載電阻是相同的。

總結(jié)一下

B類放大器切斷輸入信號周期的一半，只使用剩余的一半來產(chǎn)生輸出信號，以換取效率的顯著提高。由于其作為熱量的浪費(fèi)功率較少，B類放大器也可以比等效的A級運(yùn)行更低。我們將在下一篇文章中更詳細(xì)地介紹B類功率放大器的配置——現(xiàn)在，我希望你已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這篇介紹有趣且內(nèi)容豐富。