本系列的上一篇文章介紹了 D 類放大器。在那篇文章中，我們主要忽略了非理想情況，轉(zhuǎn)而研究開關(guān)模式放大器操作的基本原理?，F(xiàn)在我們已經(jīng)介紹了基礎(chǔ)知識，我們可以從原理轉(zhuǎn)向?qū)嵺`。
　　例如，我們之前假設(shè)放大器調(diào)諧電路的諧振頻率等于開關(guān)頻率。實(shí)際上，諧振頻率和開關(guān)頻率可能略有不同。為了使 D 類放大器按預(yù)期運(yùn)行，我們需要加入反并聯(lián)二極管。二極管還有助于防止晶體管損壞。
　　在本文中，我們將探討當(dāng)開關(guān)頻率略高于諧振頻率時(shí)反并聯(lián)二極管在 D 類操作中的作用。不過，首先我們需要強(qiáng)調(diào)理想操作的一些關(guān)鍵特征。
　　具有完美調(diào)諧 LC 電路的 D 類放大器
　　考慮圖 1 中的互補(bǔ)電壓開關(guān) D 類放大器。我們在前面的文章中第一次看到了這種配置。　　互補(bǔ)電壓切換 D 類配置。

　　圖 1.互補(bǔ)電壓切換配置。圖片由 Steve Arar 提供　　假設(shè)晶體管充當(dāng)理想開關(guān)，節(jié)點(diǎn) A 處的電壓為方波（圖 2）。

　　串聯(lián)LC電路輸入端的方波。
　　圖 2.串聯(lián) LC 電路輸入端的方波。圖片由 Steve Arar 提供
　　對于高 Q 調(diào)諧電路，只有方波的基波分量才能通過 LC 電路產(chǎn)生電流。其他分量的阻抗較大，無法產(chǎn)生諧波電流。在本文的其余部分，我們將僅關(guān)注輸出電流的基波分量。
　　在諧振頻率下，Ls 和 Cs 的電抗相互抵消，在節(jié)點(diǎn) A 處產(chǎn)生電阻負(fù)載 ( R L )。假設(shè)開關(guān)頻率與調(diào)諧電路的諧振頻率匹配，則在開關(guān)頻率下有電阻負(fù)載。這意味著輸出電流與方波的基波分量同相。圖 3 顯示了基波分量的電流波形，證實(shí)了這一點(diǎn)?！　』l的正弦電流流過LC電路。

　　圖 3.基頻正弦電流流過 LC 電路。圖片由 Steve Arar 提供
　　上部開關(guān) (Q 1 ) 在 (0, T /2) 時(shí)間間隔內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)。如圖 3 所示，輸出電流 ( i RF ) 在此時(shí)間間隔內(nèi)始終為正。因此，晶體管 Q 1提供的電流也始終為正?！　D 3 中的輸出電流在 ( T /2, T ) 時(shí)間間隔內(nèi)為負(fù)，此時(shí)下部開關(guān) (Q 2 ) 處于導(dǎo)通狀態(tài)。但是，如果我們考慮圖 1 中的電流方向，我們會發(fā)現(xiàn)晶體管 Q 2所吸收的電流始終為正。

　　圖 4 的兩半部分分別顯示了流過 Q 1和 Q 2的電流。圖 4(a) 顯示了i 1 的波形，即流過上部開關(guān) (Q 1 ) 的電流。圖 4(b) 顯示了i 2 的波形，即流過下部開關(guān) (Q 2 ) 的電流。
　　流過上（a）和下（b）開關(guān)的電流。
　　圖 4.流過上部 (a) 和下部 (b) 開關(guān)的電流。圖片由 Steve Arar 提供
　　總而言之，當(dāng)開關(guān)頻率與諧振頻率匹配時(shí)，流過晶體管的電流為正。這簡化了 D 類配置的電路實(shí)現(xiàn)。然而，實(shí)際上，開關(guān)頻率并不與諧振頻率完全相同。讓我們來看看這種不匹配對放大器性能的影響。
　　無功負(fù)載：在 D 類放大器的諧振頻率以上運(yùn)行　　流過電感器的電流比電感器兩端的電壓滯后 90 度。在工作頻率略高于其諧振頻率的 D 類放大器中，串聯(lián) LC 電路主要起電感作用。因此，輸出電流的基波分量滯后于方波 ( V A ) 的基波分量，如圖 5 所示。但是，由于電感 LC 分量與電阻負(fù)載串聯(lián)，因此相位差小于 90 度。

　　在諧振頻率以上，電流滯后于電壓的基波分量。
　　圖 5.在諧振頻率以上，電流滯后于電壓的基波分量。圖片由 Steve Arar 提供
　　方波和 iRF 之間的相位失配會如何影響流過開關(guān)的電流？請看圖 6(a) 和 6(b)。圖 6(a) 顯示流過上部開關(guān)的電流 ( isw1 ) ；圖 6(b) 顯示流過下部開關(guān)的電流 ( isw2 ) 。這兩個(gè)電流結(jié)合在一起產(chǎn)生圖 5 中的iRF波形?！　 類放大器在其諧振頻率以上工作時(shí)，流過上開關(guān)（a）和下開關(guān)（b）的電流。

　　圖 6. D 類放大器在其諧振頻率以上工作時(shí)，流過上開關(guān) (a) 和下開關(guān) (b) 的電流。圖片由 Steve Arar 提供
　　每個(gè)開關(guān)在其導(dǎo)通周期的一部分時(shí)間內(nèi)都會傳導(dǎo)負(fù)電流。圖 1 中的電路圖顯示我們的開關(guān) Q 1和 Q 2是雙極結(jié)型晶體管。由于 BJT 不能傳導(dǎo)反向電流，我們通常使用反并聯(lián)二極管來為負(fù)電流提供路徑。這在圖 7 中進(jìn)行了說明?！　』パa(bǔ)電壓開關(guān) D 類放大器，增加了反并聯(lián)二極管來傳導(dǎo)負(fù)電流。

　　圖 7.互補(bǔ)電壓切換 D 類放大器，采用反并聯(lián)二極管傳導(dǎo)負(fù)電流。圖片由 Steve Arar 提供
　　二極管 D 1和 D 2充當(dāng)開關(guān)，在需要時(shí)自動打開，仔細(xì)想想這很有趣。輸出電流由四個(gè)器件之一提供：Q 1、Q 2、D 1或 D 2。這些器件的工作原理如下：
　　D 1傳遞i sw 1的負(fù)部分。
　　Q 1通過i sw 1的正部分。
　　D 2傳遞i sw 2的負(fù)部分?！　 2通過i sw 2的正部分。

　　圖 8(b) 和 8(a) 分別顯示了流過 D 1和 Q 1 的電流。圖 8(d) 和 8(c) 顯示了流過 D 2和 Q 2的電流。
　　流過四個(gè)半導(dǎo)體器件的電流。
　　圖 8.流經(jīng) Q 1 (a)、D 1 (b)、Q 2 (c) 和 D 2 (d) 的電流。圖片由 Steve Arar 提供
　　請注意，圖 8 的組織方式是，圖 (a) 對應(yīng)于電流i 1，圖 (b) 對應(yīng)于電流i 2，圖 (c) 對應(yīng)于i 3，圖 (d) 對應(yīng)于i 4。它不表示器件開啟的順序。開啟順序在圖上方的項(xiàng)目符號列表中給出：D 1、Q 1、D 2、Q 2。
　　除了提供反向電流路徑外，反并聯(lián)二極管在 D 類放大器中還發(fā)揮著另一個(gè)關(guān)鍵作用。正如我們將在下一節(jié)中討論的那樣，它們可以保護(hù)晶體管免受電壓尖峰的影響。
　　二極管如何保護(hù) D 類放大器中的晶體管
　　回頭參考圖 7 中的電路圖，節(jié)點(diǎn) A 處可能會出現(xiàn)較大的電壓尖峰。要理解這一點(diǎn)，請回想一下電感器抵抗其電流的快速變化。通過開關(guān)動作強(qiáng)制電感器電流快速變化會在其端子間產(chǎn)生較大的電壓，這種現(xiàn)象稱為電感反沖。
　　例如，假設(shè)我們在 10 ns 的時(shí)間間隔內(nèi)突然將 10 mH 電感器的電流從 10 mA 切斷至零。電感器將在其兩端感應(yīng)出 -10,000 V 的電壓，計(jì)算如下：
　　通常，電感電流使用機(jī)械開關(guān)或晶體管進(jìn)行切換。對于機(jī)械開關(guān)，電感反沖會使開關(guān)觸點(diǎn)之間的空氣電離，從而產(chǎn)生明亮的火花。對于晶體管，電感反沖產(chǎn)生的高電壓很容易損壞晶體管。
　　為了避免引起電感反沖的電流快速變化，我們使用二極管來創(chuàng)建電流路徑。D 類放大器中的反向并聯(lián)二極管提供了此功能。
　　例如，讓我們檢查一下圖 8 電流波形中的時(shí)刻t = T /2。為方便起見，感興趣的電流（i 1和i 4）在下面的圖 9 中重現(xiàn)?！　‘?dāng) t = T/2 時(shí)，電流從上部晶體管轉(zhuǎn)移到下部二極管。

　　圖 9. t = T /2時(shí)，電流從上部晶體管轉(zhuǎn)移到下部二極管。圖片由 Steve Arar 提供
　　在開關(guān)發(fā)生之前，晶體管 Q 1會輸出一些正電流。如果沒有反向并聯(lián)二極管，開關(guān)會將該電流切斷為零，并在節(jié)點(diǎn) A 產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰，從而損壞晶體管。
　　然而，有了 D 2，電壓尖峰就不能低于約 –0.7 V ，這是由 D 2的正向壓降決定的。當(dāng)節(jié)點(diǎn) A 處的電壓達(dá)到 –0.7 V 時(shí)，D 2導(dǎo)通并為電感電流創(chuàng)建一條路徑。同樣，當(dāng)我們在t = T時(shí)關(guān)閉 Q 2時(shí)，D 1導(dǎo)通以提供電感電流的路徑。
　　MOSFET 開關(guān)
　　我們還可以使用 MOSFET 代替雙極結(jié)型晶體管來實(shí)現(xiàn) D 類放大器的開關(guān)。圖 10 顯示了功率 MOSFET 的橫截面?！　 溝道功率 MOSFET 的橫截面。

　　圖 10. N 溝道功率 MOSFET 的結(jié)構(gòu)。圖片由IXYS提供
　　在這種結(jié)構(gòu)下，電流垂直流過硅晶片。在晶片的底部，我們有金屬化的漏極連接。在晶片的頂部，我們有金屬化的源極連接和多晶硅柵極。
　　當(dāng)漏源電壓為正時(shí)，P - N –和P - N +結(jié)反向偏置。在這種情況下，足夠大的柵極-源電壓會在柵極下方形成通道，并打開晶體管以將電流從漏極傳導(dǎo)到源極。但是，如圖所示，在P區(qū)和N區(qū)之間會產(chǎn)生寄生二極管。
　　這個(gè)二極管稱為體二極管，位于源極和漏極之間。當(dāng)漏極-源極電壓為負(fù)時(shí)，體二極管會導(dǎo)通并將電流從源極傳導(dǎo)至漏極。無論柵極-源極電壓如何，都會發(fā)生這種情況。
　　由于體二極管的存在，電壓切換 D 類放大器的 MOSFET 實(shí)現(xiàn)無需使用外部反并聯(lián)二極管即可運(yùn)行。盡管 MOSFET 可以傳遞反向電流而不會造成損壞，但我們有時(shí)仍會使用外部二極管來優(yōu)化放大器性能。
　　設(shè)備傳導(dǎo)順序的重要性