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C類放大器
C類放大器
盡管存在差異，但我們在之前關于A類、B類和AB 類放大器的教程中已經看到，這三個類是線性或部分線性的，因為它們在放大過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晶體管的組合可以再現 100% 的信號。
但是，某些放大器可能會以一種根本不是線性的方式偏置，這就是本教程重點介紹的C 類放大器的情況。在第一節中，將詳細介紹這種配置的結構，因為 C 類放大器的輸出級與常規線性類完全不同。本段還將提到一般性。在接下來的部分中，我們將通過關注輸出/輸入特性來了解這種類型的放大器是如何工作的。第三部分將討論 C 類偏置架構的效率。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品中。
C類放大的介紹
正如我們在AB 類放大器中看到的那樣，C 類不是由單個工作點定義的，而是由一個工作區定義的。下圖 1說明了這一事實：
圖 1：C 類放大器的工作區
由于該工作區域超出了 B 類工作點，即 78.5% 的效率和 180° 的導通角，因此 C 類放大器的特點是具有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，正是這一事實使它們成為非線性的。
C 類放大器主要用于高頻應用，它們會產生許多諧波，必須過濾這些諧波才能忠實地再現輸入信號。例如，可以使用圖 2 所示的 RLC 電路來完成此過濾，該電路代表了C 類放大器的基本結構：
圖 2：C 類放大器的基本結構
RLC 電路（也稱為“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。
圖 3：變壓器耦合 C 類放大器
正如A 類放大器教程中已經介紹的那樣，這種變壓器耦合配置可確保負載與電源隔離，并且還用于實現阻抗匹配。此外，基極通過分壓器網絡偏置。在下一節中，我們將始終參考圖 3電路。
C類功能
本節的第一個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-發射極電壓差。
我們承認，這種傳輸特性是近似線性的，如圖 4所示。第一段在原點和閾值 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”。它可以通過兩個重要參數來表征：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類放大器的輸出級沒有電路限流器而只有一個負載，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 電路過濾，以重新生成輸入信號的正弦波，從而實現忠實放大。
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中給出一個重要的公式，并將輸出電流 I CM的最大值與幅值聯系起來輸入信號 V I：
eq 1 : 輸出電流最大值的表達式
從這個方程可以看出，傳導角對放大過程的影響很大。下圖表示 I CM在 C 類區間 ]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，輸出電流的最大值會快速下降。該圖概述了 C 類配置的效率：導通角越小，輸出電流越高。
在調諧功能模式下，輸出電壓可以簡單地寫為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量，例如，完美的變壓器的耦合系數為 1。
C類放大器的效率
演示 C 類放大器效率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聯系起來的公式：
eq 2：C類放大器的效率
圖 6：C 類放大器的效率。
使用 k=1 的理想變壓器可實現最佳效率。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 類配置中，我們認識到最大效率為78.5%。
當k=1 和零導通角時，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，因此無法實現這樣的效率。
C類放大器的一種應用：倍頻器
圖 3所示電路的一個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。
為了實現這種頻率匹配，乘積 L×C 必須滿足等式 3中提出的關系：
eq 3 : 頻率匹配關系
由于集電極電流，如圖 4 所示，是一個脈沖信號，它的頻譜已經包含了基頻 f 1和后續的諧波 f 2 =2×f 1，f 3 =3×f 1，……如果一個頻率為某個諧波建立匹配，例如 f 3，該特定頻率將優于所有其他頻率。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。
圖 7：倍頻器原理
結論
C 類放大器的效率高于 A、B 或 AB 類。然而，它們的傳導角在 0° 和 180° 之間非常低，這意味著它們只傳導一小部分信號。這一事實導致放大器的線性度較差，電壓和電流輸出都非常失真，因為它們存在大量諧波。
為了克服這個問題，C 類放大器的輸出級必須連接到通常所說的停止電路。該濾波器由并聯RLC布置組成，僅選擇要放大的所需諧波，如果需要忠實放大，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 類放大器變為線性，輸出信號為正弦波：這是調諧模式。
稍后，我們討論了C 類放大器的效率，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，無法提供有用的功率到具有這樣一個導電角的負載。在實踐中，一個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 類放大器可以調諧到輸入信號的任何高次諧波，以實現倍頻電路。因此，C 類放大器適用于頻率合成器和電信應用的設計。