在A 类、B 类和C 类功率放大器中，晶体管充当受控电流源。然而，随着我们进一步向下移动，情况发生了变化。D、E 和 F 类代表了功率放大器设计中完全不同的思维方式：它们不是将晶体管用作电流源，而是将其用作开关。在本系列的接下来几篇文章中，我们将研究这三种“开关模式”放大器类别。
在本文中，我们将探讨理想化 D 类放大器的基本原理，并推导出其输出功率和效率方程。我们还将简要介绍一些会降低实际 D 类功率放大器性能的非理想因素。后续文章将更详细地介绍这些非理想因素及其处理方法。
D 类放大器的定性操作
图 1 显示了基本 D 类放大器的原理图。
基本 D 类放大器的示意图。
图 1.基本 D 类放大器。
该电路中的两个开关（S 1和 S 2）的工作方式是，当一个开关闭合时，另一个开关断开。开关动作在节点 A 处产生矩形波形，如图 2 所示。
串联RLC电路输入端的方波。
图 2.串联 RLC 电路输入处的方波。
在占空比为 50% 的方波中，所有奇次谐波（1 次、3 次、5 次等）都存在。方波施加到调谐到开关频率的串联谐振电路。但是，串联 RLC 电路对输入电压除基波分量之外的所有频率分量都呈现非常大的阻抗。调谐电路阻止所有谐波频率的电流流动，并在基波频率处施加正弦电流（图 3）。
在基频下，正弦电流流过 RLC 电路。
图 3.基频的正弦电流流过 RLC 电路。
比较图 2 和图 3，我们发现图 1 中的开关模式电路以与电路开关频率相同的频率将交流电传输到负载。如果使用模拟输入信号来确定电路的开关频率，则该电路能够以输入信号的频率传输交流电。这是放大器的基本功能。
请注意，图 1 中的放大器需要串联调谐电路，而不是并联电路。不能使用并联调谐电路，因为它会施加正弦电压，这与开关动作产生的方波电压相冲突。然而，串联调谐电路会通过负载施加正弦电流，这似乎与上述 D 类放大器操作的定性描述一致。
计算 D 类放大器的效率
理想开关不耗散功率，因为??其电压和电流的乘积始终为零。开关打开时，没有电压降；开关关闭时，没有电流流动。由于晶体管不耗散功率，因此开关模式功率放大器的理论效率应为 100%。让我们计算图 1 中的 D 类放大器的效率，看看这是否正确。
为了找到效率，我们需要比较电流流过 RLC 电路时电源提供的功率 ( P CC ) 与输送到负载的功率 ( P L )。我们首先使用傅里叶级数表示法，用其组成频率分量来表示节点 A 处的方波电压：
等式 1.
串联调谐电路中每个元件的阻抗都不同。大多数元件的阻抗都很大，理想情况下是开路。只有基波元件的阻抗为R L。
计算射频电流
从公式 1 我们可以得知：
输入电压的基波分量导致电流流过 RLC 电路。
基波分量的幅度为 2 V CC /π。
这给了我们以下正弦电流：
等式 2.
其中 是i RF的峰值（幅度）。
计算负载功率
为了找到输送到负载的平均功率，我们使用以下公式：
等式 3.
其中i rms是 RF 电流的均方根 (RMS) 值。电流的 RMS 值等于其峰值 ( I p ) 除以 ，这将使i rms 2等于上式中的I p 2 /2。代入公式 2 中的i p值，我们得到：
等式 4.
另外，公式 3 和公式 4 依赖于负载阻抗等于负载电阻 ( R L )。在 RF 电路中，通常假设情况如此。该公式更普遍适用的版本是 ，其中 | Z | 是阻抗的幅度，θ 是阻抗相位角。
我们使用的只是上述公式的简化版本。R L代替 | Z |，并且我们消除了余弦项，因为电阻负载阻抗的相位角为0 度。
计算供电功率
确定 D 类放大器效率的下一步是确定电源提供的输入功率。输入功率等于电源电压乘以电源电流的平均值 ( P CC = V CC I DC )。
虽然流过 RLC 电路的电流是全正弦波，但流过每个开关的电流是半波整流正弦波。图 4(a) 显示i 1，即流过开关 S 1 的电流。图 4(b) 显示i 2 ，即流过 S 2 的电流。
流过S1和S2开关的电流i1和i2分别。
图 4.分别流过 S 1和 S 2开关的电流i 1和i 2 。
从图 1 中我们可以看出，从电源吸取的电流为i 1。将i 1分解为傅里叶级数可得出：
等式 5.
其中，I p是图 4(a) 中电流的峰值。从电源抽取的电流的直流分量为I p /π，因此电源输送的功率为：
等式 6.
用公式 2代入I p ，我们得到：
等式 7.
输送到负载的功率（公式 4）与电源提供的功率（公式 7）相同。因此，放大器的理论效率为 100%，正如我们在本节开始时所预测的那样。
这并不奇怪。尽管施加到调谐电路的电压是方波，但只有基波分量会在 RLC 电路中产生电流。因此，与基波以外的频率分量相关的功率为零。此外，由于开关和电抗元件（L 和 C）无损，因此电源提供的所有功率都会传送到负载。
为了巩固这些概念，在继续之前，让我们先使用上述方程式来解决一个简单的例子。
示例：为 D 类放大器选择晶体管电压和电流
晶体管在承受不损坏的情况下所能承受的电压、电流和功率是有限制的。确定为 50 Ω 负载提供 20 W 功率的 D 类放大器的晶体管电流和电压。
将P L = 20 W 和R L = 50 Ω 代入输出功率方程（公式 4），我们得出电源电压：
等式 8.
这指定了器件的额定电压。公式 2 显示流过晶体管的电流为：
等式 9.
剩下的就是代入V CC和R L的值。这样可得出：
等式 10。
该晶体管的电压为70.2V，电流为0.89A。
考虑非理想因素
上一节中的简化分析假设理想开关在导通时没有压降或电阻，在关断时电阻无限大。我们还隐含地假设开关瞬间发生，因此没有任何功率损耗。实际上，这两个假设都不成立。
当实际开关处于导通状态并传导电流时，开关电阻会耗散功率。开关速度也是有限的，导致转换期间IV乘积不为零。开关损耗是 D 类和其他开关模式功率放大器仅在远低于其转换频率的频率下才能正常工作的原因。
非理想元件还会以其他方式影响 D 类放大器的性能。例如，失谐的 RLC 电路会将无功元件引入负载网络。这不会影响放大器的效率，但会降低输出功率。负载网络中的无功元件还会导致反向电流通过开关，因此必须使用反并联二极管。
我们还需要考虑调谐电路输入端和开关晶体管输出端的寄生电容。这些电容在充电和放电时需要电源提供额外的功率，从而降低放大器的效率。
，如果谐振电路的 Q 值不够高，输出端的谐波分量可能不可忽略。这时需要额外的滤波来降低谐波分量。
互补电压开关 D 类放大器
实用的 D 类功率放大器需要比图 1 中的理想版本稍微复杂一些。D 类放大器的简单实现，称为互补电压切换电路，如图 5 所示。
D 类放大器的互补电压切换配置。
图 5. 互补电压切换配置。
在上面的电路中，晶体管 Q 1和 Q 2被驱动得足够紧，使它们像开关一样工作，而不是受控电流源。为了只打开其中一个晶体管，我们使用图左侧的变压器来产生与输入相反极性的信号。
，我们在图 4 中看到，从电源抽取的电流是半波整流正弦波。因此，需要一个本地旁路电容器（图 5 中标记为 C B）来提供电流脉冲，而不会导致电源电压出现明显的压降。
