在功率放大器的设计中，D 类、E 类和 F 类放大器代表了一种与传统 A 类、B 类和 C 类放大器完全不同的思维方式。它们不再将晶体管用作受控电流源，而是将其用作开关。接下来的内容将探讨 D 类放大器的基本原理，并推导其输出功率和效率公式，同时简要介绍一些实际设计中可能影响其性能的非理想因素。

D 类放大器的基本操作

D 类放大器的基本原理是利用晶体管的开关特性来驱动负载。两个开关交替打开和关闭，产生矩形波形信号。开关切换产生的方波信号施加到调谐到开关频率的串联谐振电路。串联谐振电路对方波的基波分量呈现低阻抗，对其他谐波分量则呈现高阻抗。

这种特性使负载上仅通过正弦电流，而其他频率分量的电流被抑制，从而实现高效的能量传输。这种信号处理方式支持模拟输入信号的频率控制，因此 D 类放大器可以放大输入信号。

串联调谐电路是此设计中的关键。并联调谐电路不能使用，因为它会与开关产生的方波信号冲突，而串联调谐电路能够保证在负载上输出正弦电流。

D 类放大器的效率分析

理想情况下的效率

在理想情况下，D 类放大器的开关没有压降或电阻，开关过程瞬时完成，因此不会消耗能量。基于此，我们可以推导 D 类放大器的理论效率。

1. 输送到负载的功率计算

对于一个输入电压为$V_{CC}$VCC 的理想开关模式电路，基波分量的幅值为$2V_{CC} / \pi$2VCC/π。流过负载的正弦电流幅值为：

$$i_{RF} = \frac{2V_{CC}}{\pi R_L}$$iRF=πRL2VCC

负载功率可表示为：

$$P_L = \frac{(i_{RF})^2 R_L}{2} = \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2 R_L}$$PL=2(iRF)2RL=π2RL2VCC2

2. 电源提供的功率计算

电源的平均功率由开关传导的电流和电压决定。对于理想情况，电源提供的功率为：

$$P_{CC} = V_{CC} \cdot I_{DC}$$PCC=VCC⋅IDC

直流分量的电流为$I_{DC} = I_p / \pi$IDC=Ip/π，其中$I_p$Ip 是开关电流的峰值。代入基波电流幅值，可得：

$$P_{CC} = \frac{2V_{CC}^2}{\pi^2 R_L}$$PCC=π2RL2VCC2

3. 理论效率

理论上，电源提供的功率与负载接收的功率相等，因此理想效率为：

$$\eta = \frac{P_L}{P_{CC}} = 100\%$$η=PCCPL=100%

这一结论说明，在理想情况下，D 类放大器的效率可达 100%。

非理想因素的影响

实际应用中，D 类放大器受到多种非理想因素的影响：

1. 开关损耗
   实际开关在导通时具有一定电阻，会产生损耗；同时，开关切换速度有限，导致电压和电流的重叠区域存在功率损耗。

2. 寄生参数
   开关晶体管和调谐电路的寄生电容需要额外的功率进行充电和放电，降低效率。

3. 失谐现象
   RLC 电路可能出现失谐情况，导致谐波成分不能完全被滤除，同时引入无功功率，影响负载上的有效功率输出。

4. 谐波滤波不足
   如果谐振电路的品质因数（Q 值）较低，谐波分量可能会在负载上显现，从而降低整体性能。

实用设计：互补电压切换 D 类放大器

为了实现更高的效率和实用性，D 类放大器通常采用互补电压切换配置。在这种设计中，两个晶体管交替工作，确保开关时一个晶体管完全导通，另一个完全关断。

为了防止电源电压出现大的波动，电路中需要添加旁路电容器，以平滑电源电流脉冲。同时，信号的驱动电路通常采用变压器或其他方式来生成与输入信号极性相反的开关信号，确保互补操作。

总结

D 类放大器的理论效率可以达到 100%，但在实际中，由于开关损耗、寄生效应和调谐误差等因素，实际效率通常低于理论值。然而，通过优化开关速度、减小寄生参数以及提高谐振电路的品质因数，设计人员可以显著改善 D 类放大器的性能。