Работа усилителя класса F во многом подобна работе усилителя класса B. Ток в рабочем режиме через транзистор протекает ровно половину периода (угол отсечки равен 90°). Поэтому усилители класса F подходят для усиления сигналов с видами модуляции, содержащими амплитудную составляющую. Отличие рассматриваемых схем от усилителей класса B заключается в схеме нагрузки. За счет этой схемы в данных высокочастотных усилителях мощности обеспечивают в момент протекания тока напряжение на транзисторе близкое к нулю. Поэтому в усилителях класса F теоретически достижим к.п.д., близкий к 100%.
Для выполнения поставленного условия напряжение на стоке транзистора необходимо максимально приблизить к прямоугольной форме. В простейшем случае достаточно к синусоидальному напряжению полезного сигнала добавить третью гармонику, как это показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Суммирование нечетных гармоник напряжения на стоке полевого транзистора
Учитывая, что в спектре тока транзистора, работающего при угле отсечки 90°, присутствует третья гармоника входного сигнала, достаточно просто выделить ее. Обычно третья гармоника выделяется при помощи параллельного контура, работающего как заграждающий фильтр (фильтр-пробка). Типовая принципиальная схема усилителя класса F приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема усилителя класса F
В приведенной на рисунке 2 схеме индуктивность L1 и конденсатор C2 образуют схему согласования сопротивления. Напряжение смещения, необходимое для реализации угла отсечки 90°, подается на затвор транзистора через дроссель L2. Напряжение питания на сток полевого транзистора подается через дроссель L3. Усилитель класса F реализуется за счет настройки контура L4C5 на третью гармонику усиливаемого сигнала. Параллельный контур L5C6 настроен на частоту усиливаемого сигнала.
В области высоких частот вместо параллельного контура в усилителях класса F применяются четверть волновые полосковые линии передачи, настроенные на третью гармонику полезного сигнала. Они обеспечивают параллельный резонанс не только на третьей гармонике, но и на пятой, седьмой и т.д. гармониках. В результате форма напряжения на стоке транзистора становится почти прямоугольной. Упрощенная схема такого усилителя мощности приведена на рисунке 3.
Рисунок 3. Упрощенная схема усилителя мощности класса F с последовательной четверть волновой линией передачи
Временные диаграммы напряжения и тока на стоке транзистора в усилителе класса F приведены на рисунке 3.
Рисунок 4. Временные диаграммы тока и напряжения на стоке полевого транзистора
Как видно из этих графиков, напряжение и ток практически не пересекаются. В результате при максимальном значении мощности выходного сигнала, когда напряжение на стоке транзистора практически равно нулю, мощность практически не рассеивается и почти полностью преобразуется в полезный сигнал.
В усилителях класса F так же как и в усилителях класса B коэффициент полезного действия сильно зависит от уровня выходного (а, значит, и входного) сигнала. Максимальное значение получается при предельных уровнях мощности. Типовая зависимость к.п.д. и коэффициента усиления показаны на графиках, приведенных на рисунке 5.
Рисунок 5. Типовая зависимость к.п.д. усилителя класса F и его коэффициента усиления от уровня входного сигнала
Обратите внимание на зависимость коэффициента усиления от входного сигнала. Из графика видно, что усилитель класса F обладает существенной нелинейностью, поэтому в передатчиках чаще всего используется одна из схем линеаризации выходного сигнала.
