Classe F

L’amplificatore di potenza in classe F utilizza nella rete d’uscita dei filtri costituiti da risonatori multipli per controllare il contenuto armonico delle forme d’onda della tensione e/o corrente di drain. Il conseguente appiattimento delle forme d’onda, permette alla corrente di drain di fluire maggiormente quando la tensione di drain è bassa, in modo da minimizzare la dissipazione di potenza del dispositivo attivo, massimizzando l’efficienza. Il classe F, realizzato con risonatori a componenti discreti,  trova ampio impiego per applicazioni in trasmissione ad alta potenza di segnali A.M per frequenze nel campo che va dalle LF alle HF. A frequenze più alte, l’uso di risonatori a componenti discreti presenta svariati inconvenienti, cosicché alle VHF si utilizza una configurazione in cui la rete di uscita è costituita da una linea di trasmissione a λ/4 che, idealmente, permette il controllo di tutte le armoniche. Con questo accorgimento, il classe F può essere utilizzato per trasmissioni F.M. in VHF (19)
Il classe F, quindi, è caratterizzato da una rete di carico costituita da risonatori  a una o più armoniche, piuttosto che alla fondamentale. E’ uno dei metodi più semplici per incrementare l’efficienza dell’amplificatore.
In fig. 27.3 è mostrata la configurazione third hamonic peaking dove il risonatore in parallelo al carico è accordato alla fondamentale, mentre quello in serie è accordato sulla terza armonica (20). Quando il transistor è eccitato con un segnale sinusoidale, esso è approssimativamente acceso per metà periodo ed è spento nell’altra metà. La forma d’onda della corrente d’uscita è riconvertita in una sinusoide dal risonatore costituito da L1  e C1. Il risonatore L3 -  C3, non è completamente trasparente alla fondamentale, ma blocca la terza armonica non permettendo di raggiungere il carico. La tensione di drain, o di collettore, varierà da zero a due volte la tensione di alimentazione, con valore medio pari a Vcc. La tensione di terza armonica sul drain o sul collettore, se presenta l’appropriato valore di fase e ampiezza, tenderà a squadrare la

Fig. 28.3: Classe F third harmonic peaking.

tensione ai capi del dispositivo. Ciò fa lavorare meglio il dispositivo come interruttore, permettendo di ottenere un’alta efficienza.  Si dimostra  che la massima squadratura si ottiene se la tensione di terza armonica ha ampiezza pari ad 1/9 della fondamentale, ottenendo la massima efficienza di collettore η=88.4% (21).
L’espansione in serie di Fourier di un’onda quadra con ampiezza ±1 e periodo 2π è

Conseguentemente, per avere un’onda quadra di tensione ai capi del transistor, il carico deve essere un corto alle armoniche pari e tendere all’infinito per le dispari. In genere, si determina solo l’impedenza alla fondamentale, alla seconda e terza armonica; sempre con riferimento alla fig. 28.3, L₁ C₁ è accordato alla frequenza d’uscita f_o, mentre L₃ C₃ risuona a 3f_o. Inoltre, il condensatore C_B, oltre a svolgere la semplice funzione di blocco per la continua, è usato per cortocircuitare a massa la seconda armonica 2f_o.
Per il progetto dello stadio finale in classe F, si procede determinando per primo il valore di C₁, in funzione della desiderata larghezza di banda dell’amplificatore. Il Q del circuito si assume che sia determinato solamente da L₁, C₁ e R_L. Quindi:

Determinato C₁, l’induttore deve essere tale da risuonare alla fondamentale:

A 2f_o, il risonatore L₁ C₁ presenta una reattanza capacitiva mentre L₃ C₃ ha reattanza induttiva. I valori delle capacità C_B e C₃ possono essere assegnati in modo da realizzare un corto verso  massa a questa frequenza:

Moltiplicando quest’ultima equazione per  e ricordando che

la (14.3) si riduce a

 ,

ovvero

condizione necessaria affinché il risonatore serie sia accordato a 2f_o. In più, alla fondamentale, C_B e il parallelo L₃C₃ possono essere scelti in modo da presentare una reattanza tra il transistor e il carico. Ciò elimina l’approssimazione che L₃C₃ ha reattanza nulla alla fondamentale:

 ,

Sostituendo questo valore di C_B nell’eq. (16.3), si ottiene la relazione tra C₃ e C₁:

Riassumendo, C₁ è determinata attraverso la (12.3), L₁ da (13.3), C₃ da (18.3), L₃ da (15.3) e C_B da (17.3).
Sommando più armoniche dispari, la forma della tensione di collettore diviene via via più squadrata. Un numero infinito di risonatori alle armoniche dispari si può realizzare con l’ausilio di una linea di trasmissione a λ/4 alla fondamentale che riadatta il risonatore sulla terza armonica. Questa soluzione viene adottata prevalentemente alle microonde dove la lunghezza della linea di trasmissione non è eccessiva.

Fig.  29.3: Classe F per applicazioni alle microonde.

Alla fondamentale, l’ammettenza vista dal collettore è:

Il parallelo LC è dimensionato accordandolo alla fondamentale. La linea a λ/4 trasforma il parallelo in un carico serie:
 
 

in cui:

Alla seconda armonica, la linea di trasmissione risulta λ/2 e il risonatore (L, C) è un corto, cosicché . Il carico effettivo per tutte le armoniche è facilmente calcolabile:

   
Sebbene ciò produce un corto o un circuito aperto sul collettore, non è scontato
che queste impedenze, in parallelo con quella di uscita del transistor, forniscano la
necessaria ampiezza e fase per ottenere un’onda quadra sul collettore.
Questa configurazione presenta un aspetto negativo dovuto all’alta sensibilità della potenza d’uscita nei confronti del livello del segnale d’ingresso (22).

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