以二次谐波峰值放大器为例，我们探讨逆F类放大的基本原理。
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F类放大是一种成熟的技术，通过谐波调谐来提高放大器的性能。在F类放大器中，奇次谐波被添加到集电极电压上，使其形成方波。集电极电流则理想情况下是一个半正弦波，包含基波和偶次谐波。
逆F类放大器，也称为F-1类放大器，交换了这些波形的形状。集电极电流为方波，集电极电压为半正弦波。在本文中，我们将研究该系列中最简单的成员：具有二次谐波峰值的逆F类放大器（图1）。
图1 具有二次谐波峰值的F-1类放大器如图所示，该电路与三次谐波峰值的F类放大器相同。区别在于紫色所示的谐振电路——在F类放大器中，它将被调谐到三次谐波而不是二次谐波。
逆F类放大器的波形
理想逆F类放大器的集电极波形如图2所示。在实际中，我们只能近似实现这些波形。
图2 理想逆F类放大器的集电极电压（上）和电流（下）波形在上图中，当电流较高时，晶体管两端的电压为零。理想F类放大器也是如此（图3）。
图3 理想F类放大器的集电极电压（上）和电流（下）波形在这两种情况下，目标都是通过尽可能减少电流-电压乘积来提高放大器的效率和输出功率。
我们知道，F类放大器通过添加奇次谐波分量来产生图3顶部的方波电压。为了产生方波集电极电流，逆F类放大器只需在晶体管的输入端使用方波驱动信号。但它如何将集电极电压塑造成图2中的半正弦波呢？让我们一探究竟。
电压波形的塑造
我们首先考虑一些未经整形的波形。如果从图1中移除L2-C2谐波谐振器，剩下的基本上是一个单晶体管B类放大器（图4）。
图4 单晶体管B类放大器在没有谐波的情况下，B类放大器的集电极电压是一个偏移的正弦波。图5展示了这一点以及理想的集电极电流。
图5 理想B类放大器的集电极电流（上）和电压（下）波形我们的目标是将这个电压波形塑造成半正弦波。为了简化分析，我们将时间原点设置在电压波形的谷底。这将产生图6中的波形。
图6 调整时间原点后的B类电流和电压波形在这种情况下，集电极电压可以表示为：
公式1图6中的电压波形对应于最大摆幅条件（A1 = Vcc）。考虑到这一点，定义一个二次谐波电压为：
公式2如果我们将v2加到vB上，新的集电极电压为：
公式3其中x定义为二次谐波分量与基波分量的比值（x = A2/A1）。
图7绘制了A1 = Vcc = 1 V和A2 = 0 2 V（x = 0 2）时的vB、v2和vF。
图7 B类放大器的集电极电压波形（红色）、二次谐波分量（洋红色）以及通过添加二次谐波分量得到的复合波形（蓝色）请注意，基波和二次谐波之间的相位差被选择为使vB的峰值和谷值与二次谐波波形（v2）的峰值对齐。
考虑vB在t = T/2时的峰值点。此时，公式3简化为Vcc + A1 + A2。两个交流项均为正，这提升了复合波形（vF）的峰值，使其超过原始信号（vB）的峰值。
在t = 0这样的谷值点，公式3简化为Vcc – A1 + A2。由于交流项在此点具有相反的极性，它们的效果相互抵消。结果是在t = 0附近形成一个平坦的复合波形。
这表明，具有适当相位的二次谐波可以提升电压波形的峰值并使其谷值平坦。由于电压波形的谷值对应于集电极电流的峰值，这可以减少晶体管内的功率损耗。
上述讨论表明，引入二次谐波可以产生一个近似半正弦波的复合波形。在我们继续之前，请注意，虽然原始信号的摆幅为0到2Vcc，但复合波形的摆幅为0 2 V到2Vcc + 0 2 = 2 2 V。通过为A1和A2设置适当的值，我们将较低的电压摆幅限制回地电平。
选择合适的二次谐波分量
图8展示了如果我们引入不同值的二次谐波分量，总电压波形（vF）将如何变化。
图8 对于A1 = Vcc = 1 V和x从0到0 4变化时，通过添加二次谐波分量得到的复合波形随着x（A2与A1的比值）从0 1增加到约0 3，总电压在其谷值附近变得更加平坦。当x超过0 3时，波形中会出现一些纹波。基于此，二次谐波分量的最佳值是多少？
首先，我们需要定义“最佳”。我们可以使用两种不同的标准：
1 产生最大平坦的电压波形。
2 产生最大效率。
第一种方法在集电极电流较高时保持集电极电压尽可能低。然而，事实证明，这种波形并不能产生最佳效率——为此，我们需要少量的纹波。
以下是产生最大平坦和最大效率波形的条件。我们暂时跳过详细的数学分析。
当集电极电压最大平坦时：
公式4在此条件下，并将最小集电极电压设为零，我们得到A1和A2的绝对值与电源电压的关系：
公式5同时，最大效率在以下条件下实现：
公式6在此条件下，并将最小集电极电压保持在地电平，得到以下关系：
公式7图9绘制了最大平坦和最大效率情况下的集电极电压。
图9 x = 0（红色）、最大平坦（蓝色）和最大效率（绿色）情况下的集电极电压波形请注意，将二次谐波电压引入集电极电压波形后，产生了近似的半正弦波。
总结
逆F类放大器通过使用方波集电极电流并将集电极电压塑造成半正弦波来最小化功率损耗。在二次谐波峰值放大器的情况下，半正弦波形通过引入二次谐波分量来产生（或至少近似产生）。我们将在下一篇文章中更详细地研究这种配置并推导其设计方程。
