本系列文章已经涵盖了五种不同的功率放大器类别：A、B、C、D 和 E。我们现在准备讨论第六个，F 类。这些放大器使用具有多个谐波谐振器的负载网络来提高效率和输出功率。图 1 显示了基本 F 类放大器的电路图。
三次谐波峰值 F 类放大器的电路图。
图 1.三次谐波峰值 F 类放大器的电路图。
这种配置称为三次谐波峰值 F 类放大器。为了进行比较，图 2 显示了单晶体管 B 类放大器的电路图。
单晶体管 B 类放大器的电路图。
图 2.单晶体管 B 类放大器。
如您所见，这两个电路非常相似。的区别是包含第二个谐振电路。F 类放大器通过采用多个调谐到信号谐波的谐振电路来塑造其电压波形。当通过晶体管的电流较高时，多谐振负载网络将晶体管两端的电压保持在较低水平，从而产生方波。
要了解这如何提高效率，我们首先需要退后一步，检查 B 类级的功率耗散。完成此操作后，我们将准备好讨论 F 类操作如何改进它。
B 类放大器中的功率损耗
上一节中的 Class B 和 Class F 电路都包含一个晶体管。由于在功率放大器设计中实现高效率至关重要，因此将晶体管的功耗降至至关重要。晶体管内的功率耗散意味着电路消耗来自电源的功率，而不会将其转移到负载。相反，功率在晶体管本身内部被浪费，从而降低了效率。
为了更好地了解 B 类晶体管的功率耗散，我们来看看其集电极处的电压和电流波形。图 3 的顶部图显示了理想 B 类放大器的集电极电流波形。底部图显示了集电极电压的波形。
集电极电流和电压波形，可实现理想的 B 类级。
图 3.理想 B 类级的集电极电流（顶部）和集电极电压（底部）。
在 B 类放大器中，晶体管偏置在其导通点下方，并被输入信号的正半周期驱动导通。因此，集电极电流是一个富含不同谐波的半波整流正弦波。
如图 3 的底部图所示，B 类放大器的输出电压在基频处是正弦波。为了忠实地再现输入信号，负载网络在基频上使用高 Q 谐振电路。谐振电路使谐波分量短路，产生我们上面看到的正弦波。
从图 3 中可以明显看出，晶体管在其 OFF 半周期（例如，从 t = T/2 到 t = T 的间隔）不会耗散任何功率，因为在这些时间间隔内流过晶体管的电流为零。
在 ON 半周期（t = 0 至 t = T/2）期间，晶体管电流和电压均不为零，表明晶体管中的功率损耗。幸运的是，集电极电压会随着电流的增加而降低。从效率的角度来看，这是有益的——集电极电压在 ON 半周期内保持较大恒定值的放大器将表现出明显高于 B 类级的功率损耗。换句话说，在 ON 半周期期间增加 B 类放大器的集电极电压波形会降低效率。
F 类操作的基本思想是通过相反的操作来提高效率 — 在导通半周期内降低电压，而不是增加电压。让我们在下一节中进一步讨论这个问题。
了解 F 类操作
图 4 显示了 F 类放大器的集电极电流和电压波形。我们可以在底部图中看到，在晶体管的导通半周期内，它将电压波形降低到 B 类级以下。当晶体管导通时，较低的电压转化为较小的电流-电压积，这反过来意味着晶体管耗散的功率更少。
具有更尖锐边缘的集电极电压波形可以降低晶体管中的功率损耗。
图 4.具有更尖锐边缘的集电极电压波形可以降低晶体管中的功率损耗。
当集电极电压接近矩形波形时，它会减小电压和电流的乘积。为了在大电流条件下获得尽可能低的电压，我们需要使电压波形的转换更加尖锐，并使其波峰和波谷变平。我们可以通过在晶体管两端的电压上添加具有适当幅度和相位的谐波分量来实现这一点。
图 1 中的 F 类电路被称为三次谐波峰值放大器，代表了这种想法的常见实现方式。顾名思义，它通过添加三次谐波分量来实现所需的电压波形。我们将在本系列的下一篇文章中研究电路本身。现在，让我们在一些电压图的帮助下讨论它的基本原理。
三次谐波峰值 F 类放大器的基础知识
本质上，三次谐波峰值放大器在 B 类放大器上增加了一个三次谐波分量。回到图 3，我们可以将理想 B 类放大器的集电极电压表示为：
$$v_B ~=~ V_{cc} ~-~A_1 \sin（\omega t）$$
方程 1.
其中 A1是基波电压分量的幅度。图 3 中的电压波形对应于输出摆幅 （A1 = V抄送).
接下来，让我们考虑振幅 A 的三次谐波分量3:
$$v_3 = A_3 \sin（3 \omega t）$$
方程 2.
如果我们减去 v3从vB，则新的集电极电压为：
$$\begin{eqnarray}v_{F} &~=~& V_{cc} ~-~A_1 \sin（\omega t）~-~A_3 \sin（3 \omega t） \\&~=~&V_{cc} ~-~A_1 \Big （\sin（\omega t）~+~x ~\times~ \sin（3 \omega t） \Big ）\end{eqnarray}$$
方程 3.
其中 x = A3/一个1.
图 5 图vB、 v3和vF对于 A1 = V抄送= 1 V 和 A3= 0.05 的在上述方程中，x 定义为三次谐波分量 （A3） 设置为基本组件 （A1），因此这对应于 x = 0.05。
B 类放大器、三次谐波分量器的集电极电压波形，以及两者相加时产生的电压波形。
图 5.B 类放大器的集电极电压波形（红色）、三次谐波分量（洋红色）以及 A 的基波和三次谐波分量的总电压（蓝色） 1 = V抄送 = 1 V 且 x = 0.05。
根据公式 1 到 3 中定义的电压波形，基波和三次谐波之间的相位差使基波谐波的波谷与三次谐波的峰值对齐。同样，基波谐波的峰值与三次谐波的波谷对齐。因此，总电压或 F 类电压 （vF）与原来的 （vB） 波形，该波形没有三次谐波分量。
上述波形表明，在两个频率分量之间有适当的相位差的情况下，我们可以使用三次谐波分量来使电压波形变平。另请注意，虽然基波元件的峰峰值摆幅为 2A1= 2V抄送、复合波形vF具有较小的峰峰值摆幅，约为 0.05 V 至 1.95 V。添加三次谐波分量可减小复合波形的峰峰值摆幅。
图 5 中的集电极电压曲线并未完全利用可用的摆幅（0 至 2V抄送).为了充分利用潜在摆幅，我们增加了基波元件的输入功率。图 6 显示了V抄送= 1 V，A1= 1.053 V 和 A3= 0.053 伏。与上一个示例中的值一样，这些值对应于 x = 0.05。
B 类、三次谐波分量和总电压波形，输入功率高于上一个示例。
图 6.B 类放大器（红色）、三次谐波分量（洋红色）以及由基波和三次谐波分量组成的 V 总电压（蓝色）的集电极电压波形 抄送 = 1 V， 一个1 = 1.053，x = 0.05。
对于给定的摆幅限制，我们可以得出结论，添加三次谐波可以让我们增加基波分量 （A1).这反过来又增加了传递到基波元件负载的功率。
在上面的示例中，基本组件 （A1） 从 1 V 增加到 1.053 V。因此，对于给定的负载阻抗，输送到负载的功率增加了 1.053 倍2= 1.11 的 1.11 个。换句话说，与 B 类级相比，三次谐波峰值 F 类级的输出功率增加了约 11%。
增加三次谐波的振幅怎么样？
图 7 说明了总电压波形 （vF） 更改 3 次谐波分量的不同级别。
A<sub>1</sub> = V<sub>cc</sub> 的总（F 类）集电极电压 = 1 V，x 从 0.05 到 0.25 不等。
图 7.总集电极电压 （vF） 表示 A1= V抄送= 1 V 且x 从 0.05 到 0.25 不等。
当我们将 x 从 0.05 增加到大约 0.1 时，总电压在其波峰和波谷附近变得更平坦。但是，如果 x 超过 0.1，则波形中会出现一些波纹。
