在本文中，我们将了解D类功率放大器的两个重要非理想特性，以及它们如何影响性能。
正如我们在之前的文章中了解的那样，实际D类放大器的开关频率并不总是与其谐振频率相匹配。这种不匹配可能源于组件的非理想性，或者放大器故意在略有不同的频率下运行。在这两种情况下，失谐的LC电路都会产生一个反应性负载。
在本文中，我们将探讨当D类放大器的负载网络具有反应性元件时，其性能会受到怎样的影响。我们还将探讨调谐电路输入端寄生电容的影响。每个非理想特性的讨论都将以一个示例问题结束。
1、反应性负载导致的功率损失
图1展示了我们在过去几篇文章中一直探讨的互补电压开关D类放大器。
图1. 互补电压开关D类配置
对于上述放大器，理想的电感值为Ls，理想的电容值为Cs。Ls和Cs共同构成了一个与开关频率相匹配的理想谐振电路。
然而，假设由于组件的非理想性，电感实际上为(Ls + La)。如图2所示，我们现在在理想调谐电路中串联了一个额外的电感。
图2. 由于组件非理想性导致LC电路失谐的D类放大器
橙色框中的理想调谐电路在开关频率下表现为短路。剩余的负载网络由La和RL串联组成。由于负载是感性的，我们在图3中看到，输出电流(iRF)滞后于节点A(VA)上方形波的基本分量。
图3. 在谐振频率以上，电流滞后于方波电压的基本分量
从我们对D类操作的首次讨论中，我们知道理想的D类放大器具有100%的理论效率和输出功率PL = 2VCC2/π2RL。现在，让我们看看图3中的相位差如何影响这些参数。
2、反应性负载对输出功率的影响
为了计算传递给负载的功率，我们需要知道负载电流的峰值(Ip)。负载电流是由VA的基本分量产生的。使用傅里叶级数表示法来表示VA的组成频率分量，我们得到：
其中⍵0是方波的基本角频率。
从方程1中，我们可以看到VA的基本分量的峰值为2VCC/π。这个方程及其结果与我们之前讨论理想D类放大器时的情况没有变化。
但对于方程2来说，情况就不同了。在开关频率（⍵0）下的负载阻抗（ZL）不再简单地等于RL。相反，它由La和RL的串联连接组成，给出的阻抗为：
其中XL是感性电抗。根据欧姆定律，流过负载的电流为：
从方程3中，iRF的峰值是：
回忆一下，irms等于Ip除以根号2（√2），我们现在可以计算传递给负载的平均功率：
这个方程可以重写为：
其中：
由于负载阻抗包含了一个反应性元件，因此⍴小于1。因此，方程5的乘积小于理想的负载功率。
添加一个反应性元件会减少负载功率，这并不奇怪——从方程2中很容易看出，一个反应性项会增加负载阻抗（|ZL|）的幅度，从而降低输出电流。
3、反应性负载对效率的影响
在上一节中，我们计算了输出功率。为了找到效率，我们还需要确定电源提供的输入功率。输入功率等于电源电压乘以从电源抽取的电流的平均值。
在图3的波形中，在开关周期的第一个半周期（从t = 0到t = T/2）内，电流从电源中抽取，此时上开关处于开启状态。在第二个半周期中，上开关打开，无法从电源中抽取电流。在这个周期的一半中，LC电路中存储的能量通过负载和下开关循环。因此，电源电流的直流分量为：
请注意，上述积分是在上开关打开的时间间隔内进行的。这个看似令人望而生畏的方程简化为：
这等于输出功率（方程4），导致理想效率为100%。尽管反应性负载会降低输出功率，但它不会降低放大器的效率。
示例：反应性负载引起的功率降低
在讨论理想D类放大器时，我们设计了一个互补电压开关D类放大器，用于向纯电阻性50Ω负载提供20W的功率。我们发现这需要VCC=70.2V的电源电压和能够安全传导最大电流0.89A的晶体管。你可以通过将RL=50Ω和XL=0代入本文的方程3和方程5来验证这些数值，因为纯电阻性负载是我们上面分析的一个特例。
这次，我们假设在RL=50Ω上串联了一个50Ω的电抗。那么输出功率和最大集电极电流会是多少呢？
首先，我们来找出⍴。已知RL=50Ω和XL=50Ω，我们有：
将这个⍴值代入方程5，我们观察到由于负载网络的反应性成分，输出功率减半。在电阻性负载下的输出功率为20W，因此新的输出功率为0.5 × 20 = 10W。
在方程3中，我们看到最大电流Ip = 2VCC/π|ZL|。|ZL|等于RL/⍴，而VCC在示例开始时给出为70.2V。因此，我们得到的峰值电流为：
流过晶体管的最大电流从0.89A（在理想放大器中）减少到0.63A。如上所述，输出功率从20W减半到10W。4、寄生电容引起的功率损耗
图4展示了D类放大器的另一个重要的非理想特性：寄生电容。
图4. Cc1和Cc2模拟了节点A与电源轨之间存在的寄生电容
在上述图中，Cc1和Cc2是与Q1和Q2并联出现的等效寄生电容。当方波在电源轨之间转换时，这些电容会在节点A处引起功率损耗。让我们看看这是如何影响放大器性能的。
图5(a)提供了在操作周期的第一个半周期内电路的简化模型。图5(b)为第二个半周期提供了相同的模型。每个半周期内Cc1和Cc2上的电压以绿色表示。
带寄生电容的D类放大器在一个操作周期内的简化模型：图5. 当节点A被驱动到VCC（a）和地（b）时，Cc1和Cc2上的电压
在周期的第一半，上开关（S1）闭合，下开关（S2）断开。因此，节点A上的方波被驱动到VCC。由于Cc1的两个端子处于同一电位，因此Cc1上没有电荷。同时，Cc2被充电到VCC。
在第二个半周期开始时，S2闭合，S1断开。节点A上的电压被理想地瞬间驱动到地。当这种转换发生时，S2将Cc1充电到VCC，并将Cc2从VCC放电到0V。因此，最初存储在Cc2中的能量会丢失。
使用电容器中能量存储的公式，我们可以计算Cc2的初始能量：
当S2闭合时，这部分能量以热能的形式耗散。同时，Cc1被充电到VCC。将存储在Cc1中的能量表示为U2，我们有：
为了理解这如何影响功率损耗，我们需要回顾图6中简单RC电路的行为。
5、给电容器充电的RC电路
图6. 给电容器充电的RC电路
当我们闭合这个电路中的开关时，电压源提供能量给电容器充电。然而，可以表明，只有电池提供能量的一半被存储在电容器中。另一半则在电阻中以热能的形式耗散。
有趣的是，电阻中耗散的能量与电阻值无关。在D类放大器中，这意味着当S2闭合并为Cc1充电时，开关导通电阻上会耗散与U2相等的能量。因此，S2上耗散的总能量是U1 + U2。
在下一个半周期开始时，节点A被驱动回VCC时，会发生类似的一系列事件。此时，开关S1闭合，将Cc1放电至0V并为Cc2充电至VCC。这导致了另一次U1 + U2的能量损失。因此，由于寄生电容在一个完整周期内导致的总能量损失是：
由于每个射频周期内都会损失这么多能量，因此耗散的功率为：
由于这部分功率在开关中耗散，因此对放大器的输出功率没有影响，仅影响其效率。
示例：寄生电容导致的效率降低
一个由VCC = 70.2 V供电的互补电压切换D类放大器向50Ω负载提供20W功率。然而，在其调谐电路的输入端存在两个20 pF的寄生电容（Cc1 = Cc2 = 20 pF）。如果开关频率为10 MHz，那么由于寄生电容会损失多少功率？放大器的效率是多少？
将数值代入方程14，我们得到：
正如我们之前所看到的，由于寄生电容导致的功率损失不会影响输出功率。它们只会增加电源提供的功率。因此，效率可以计算为：
由于寄生电容的存在，D类放大器的效率为91%，而理想化的D类放大器的理论效率为100%。6、总结
在本文中，我们了解了影响D类放大器的两个非理想因素——感性负载元件和寄生电容。我们看到，感性负载会降低放大器的输出功率，但不会降低其效率；而寄生电容则降低效率，但不会影响输出功率。与前面关于D类放大器的文章一样，我们的讨论基于互补电压切换配置。在下一篇文章中，我们将介绍另一种配置：变压器耦合电压切换D类放大器。来源：射频小馆
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