本系列的上一篇文章介绍了 D 类放大器。在那篇文章中，我们主要忽略了非理想情况，转而研究开关模式放大器操作的基本原理。现在我们已经介绍了基础知识，我们可以从原理转向实践。
　　例如，我们之前假设放大器调谐电路的谐振频率等于开关频率。实际上，谐振频率和开关频率可能略有不同。为了使 D 类放大器按预期运行，我们需要加入反并联二极管。二极管还有助于防止晶体管损坏。
　　在本文中，我们将探讨当开关频率略高于谐振频率时反并联二极管在 D 类操作中的作用。不过，首先我们需要强调理想操作的一些关键特征。
　　具有完美调谐 LC 电路的 D 类放大器
　　考虑图 1 中的互补电压开关 D 类放大器。我们在前面的文章中次看到了这种配置。

　　互补电压切换 D 类配置。

　　图 1.互补电压切换配置。图片由 Steve Arar 提供

　　假设晶体管充当理想开关，节点 A 处的电压为方波（图 2）。

　　串联LC电路输入端的方波。
　　图 2.串联 LC 电路输入端的方波。图片由 Steve Arar 提供
　　对于高 Q 调谐电路，只有方波的基波分量才能通过 LC 电路产生电流。其他分量的阻抗较大，无法产生谐波电流。在本文的其余部分，我们将仅关注输出电流的基波分量。
　　在谐振频率下，Ls 和 Cs 的电抗相互抵消，在节点 A 处产生电阻负载 ( R L )。假设开关频率与调谐电路的谐振频率匹配，则在开关频率下有电阻负载。这意味着输出电流与方波的基波分量同相。图 3 显示了基波分量的电流波形，证实了这一点。

　　基频的正弦电流流过LC电路。

　　图 3.基频正弦电流流过 LC 电路。图片由 Steve Arar 提供
　　上部开关 (Q 1 ) 在 (0, T /2) 时间间隔内处于导通状态。如图 3 所示，输出电流 ( i RF ) 在此时间间隔内始终为正。因此，晶体管 Q 1提供的电流也始终为正。

　　图 3 中的输出电流在 ( T /2, T ) 时间间隔内为负，此时下部开关 (Q 2 ) 处于导通状态。但是，如果我们考虑图 1 中的电流方向，我们会发现晶体管 Q 2所吸收的电流始终为正。

　　图 4 的两半部分分别显示了流过 Q 1和 Q 2的电流。图 4(a) 显示了i 1 的波形，即流过上部开关 (Q 1 ) 的电流。图 4(b) 显示了i 2 的波形，即流过下部开关 (Q 2 ) 的电流。
　　流过上（a）和下（b）开关的电流。
　　图 4.流过上部 (a) 和下部 (b) 开关的电流。图片由 Steve Arar 提供
　　总而言之，当开关频率与谐振频率匹配时，流过晶体管的电流为正。这简化了 D 类配置的电路实现。然而，实际上，开关频率并不与谐振频率完全相同。让我们来看看这种不匹配对放大器性能的影响。
　　无功负载：在 D 类放大器的谐振频率以上运行

　　流过电感器的电流比电感器两端的电压滞后 90 度。在工作频率略高于其谐振频率的 D 类放大器中，串联 LC 电路主要起电感作用。因此，输出电流的基波分量滞后于方波 ( V A ) 的基波分量，如图 5 所示。但是，由于电感 LC 分量与电阻负载串联，因此相位差小于 90 度。

　　在谐振频率以上，电流滞后于电压的基波分量。
　　图 5.在谐振频率以上，电流滞后于电压的基波分量。图片由 Steve Arar 提供
　　方波和 iRF 之间的相位失配会如何影响流过开关的电流？请看图 6(a) 和 6(b)。图 6(a) 显示流过上部开关的电流 ( isw1 ) ；图 6(b) 显示流过下部开关的电流 ( isw2 ) 。这两个电流结合在一起产生图 5 中的iRF波形。

　　D 类放大器在其谐振频率以上工作时，流过上开关（a）和下开关（b）的电流。

　　图 6. D 类放大器在其谐振频率以上工作时，流过上开关 (a) 和下开关 (b) 的电流。图片由 Steve Arar 提供
　　每个开关在其导通周期的一部分时间内都会传导负电流。图 1 中的电路图显示我们的开关 Q 1和 Q 2是双极结型晶体管。由于 BJT 不能传导反向电流，我们通常使用反并联二极管来为负电流提供路径。这在图 7 中进行了说明。

　　互补电压开关 D 类放大器，增加了反并联二极管来传导负电流。

　　图 7.互补电压切换 D 类放大器，采用反并联二极管传导负电流。图片由 Steve Arar 提供
　　二极管 D 1和 D 2充当开关，在需要时自动打开，仔细想想这很有趣。输出电流由四个器件之一提供：Q 1、Q 2、D 1或 D 2。这些器件的工作原理如下：
　　D 1传递i sw 1的负部分。
　　Q 1通过i sw 1的正部分。
　　D 2传递i sw 2的负部分。

　　Q 2通过i sw 2的正部分。

　　图 8(b) 和 8(a) 分别显示了流过 D 1和 Q 1 的电流。图 8(d) 和 8(c) 显示了流过 D 2和 Q 2的电流。
　　流过四个半导体器件的电流。
　　图 8.流经 Q 1 (a)、D 1 (b)、Q 2 (c) 和 D 2 (d) 的电流。图片由 Steve Arar 提供
　　请注意，图 8 的组织方式是，图 (a) 对应于电流i 1，图 (b) 对应于电流i 2，图 (c) 对应于i 3，图 (d) 对应于i 4。它不表示器件开启的顺序。开启顺序在图上方的项目符号列表中给出：D 1、Q 1、D 2、Q 2。
　　除了提供反向电流路径外，反并联二极管在 D 类放大器中还发挥着另一个关键作用。正如我们将在下一节中讨论的那样，它们可以保护晶体管免受电压尖峰的影响。
　　二极管如何保护 D 类放大器中的晶体管
　　回头参考图 7 中的电路图，节点 A 处可能会出现较大的电压尖峰。要理解这一点，请回想一下电感器抵抗其电流的快速变化。通过开关动作强制电感器电流快速变化会在其端子间产生较大的电压，这种现象称为电感反冲。
　　例如，假设我们在 10 ns 的时间间隔内突然将 10 mH 电感器的电流从 10 mA 切断至零。电感器将在其两端感应出 -10,000 V 的电压，计算如下：
　　通常，电感电流使用机械开关或晶体管进行切换。对于机械开关，电感反冲会使开关触点之间的空气电离，从而产生明亮的火花。对于晶体管，电感反冲产生的高电压很容易损坏晶体管。
　　为了避免引起电感反冲的电流快速变化，我们使用二极管来创建电流路径。D 类放大器中的反向并联二极管提供了此功能。
　　例如，让我们检查一下图 8 电流波形中的时刻t = T /2。为方便起见，感兴趣的电流（i 1和i 4）在下面的图 9 中重现。

　　当 t = T/2 时，电流从上部晶体管转移到下部二极管。

　　图 9. t = T /2时，电流从上部晶体管转移到下部二极管。图片由 Steve Arar 提供
　　在开关发生之前，晶体管 Q 1会输出一些正电流。如果没有反向并联二极管，开关会将该电流切断为零，并在节点 A 产生负电压尖峰，从而损坏晶体管。
　　然而，有了 D 2，电压尖峰就不能低于约 –0.7 V ，这是由 D 2的正向压降决定的。当节点 A 处的电压达到 –0.7 V 时，D 2导通并为电感电流创建一条路径。同样，当我们在t = T时关闭 Q 2时，D 1导通以提供电感电流的路径。
　　MOSFET 开关
　　我们还可以使用 MOSFET 代替双极结型晶体管来实现 D 类放大器的开关。图 10 显示了功率 MOSFET 的横截面。

　　N 沟道功率 MOSFET 的横截面。

　　图 10. N 沟道功率 MOSFET 的结构。图片由IXYS提供
　　在这种结构下，电流垂直流过硅晶片。在晶片的底部，我们有金属化的漏极连接。在晶片的顶部，我们有金属化的源极连接和多晶硅栅极。
　　当漏源电压为正时，P - N –和P - N +结反向偏置。在这种情况下，足够大的栅极-源电压会在栅极下方形成通道，并打开晶体管以将电流从漏极传导到源极。但是，如图所示，在P区和N区之间会产生寄生二极管。
　　这个二极管称为体二极管，位于源极和漏极之间。当漏极-源极电压为负时，体二极管会导通并将电流从源极传导至漏极。无论栅极-源极电压如何，都会发生这种情况。
　　由于体二极管的存在，电压切换 D 类放大器的 MOSFET 实现无需使用外部反并联二极管即可运行。尽管 MOSFET 可以传递反向电流而不会造成损坏，但我们有时仍会使用外部二极管来优化放大器性能。
　　设备传导顺序的重要性