Klasse F versterker

met trilkring derde harmonische

Jan Genoe

September 2025

Overzicht

• Inleiding - Wat zijn Klasse F versterkers?
• Theoretische achtergrond - Werkingsprincipe en vergelijking Klasse C
• Circuitanalyse - Praktisch schema en componenten
• Simulaties - SPICE analyse van het gedrag
• Harmonische filtering - Rol van de extra LC-kringen
• Efficiëntie - Prestatievoordelen
• Alternatieve schema's - Varianten en toepassingen
• Conclusies - Samenvatting en praktische overwegingen

Inleiding: Wat zijn Klasse F versterkers?

Definitie

Klasse F versterkers zijn hoogfrequent resonante versterkers die:

• Werken met harmonische filtering
• Gebruiken meerdere LC-kringen voor optimalisatie
• Hebben een zeer hoge efficiëntie (theoretisch 100%)
• Zijn optimaal voor enkelvoudige frequenties

Belangrijkste kenmerken

• 🎯 Resonant: Werken op één specifieke frequentie
• ⚡ Efficiënt: Minimaal energieverlies
• 🔧 Selectief: Smalle bandbreedte (~1% van f_o)
• 📡 RF toepassingen: Zenders, oscillatoren

Verschil tussen Klasse C en Klasse F

Klasse C versterker

• Eenvoudig: Één LC-kring
• Basis resonantie: Werkt op fundamentele frequentie
• Beperkte efficiëntie: ~85-90%

Klasse F versterker

• Uitgebreid: Meerdere LC-kringen
• Harmonische optimalisatie: Controle over 2e en 3e harmonische
• Hogere efficiëntie: Tot ~95% praktisch

Waarom Klasse F?

De extra LC-kringen in Klasse F zorgen voor:

• Betere golfvorm: Minder vervorming
• Hogere efficiëntie: Minder energieverlies
• Meer vermogen: Bij dezelfde transistor

Basisschema van de klasse F versterker

Belangrijke knopen

In het schema identificeren we:

• Knoop 1: Ingang (AC koppeling)
• Knoop 2: Collector (fundamentele + harmonischen)
• Knoop 3: Voeding (V_dd)
• Knoop 5: Uitgang (gefilterde fundamentele)

Sleutelcomponenten

• Q1: driving transistor
• L1, C1: Fundamentele resonantiekring (f_o)
• L3, C3: 3e harmonische filter (3×f_o)

Wanneer de gelijkaardige stroompulsen aangelegd worden op 2 parallelle LRC kringen in serie, zal dezelfde stroom door de kringen lopen, maar zullen de spanningen over beide kringen opgeteld worden.

Spice code van de klasse F versterker

* klasse F basiscircuit
Q_Q1         2 1 0 Q2
L_L1         5 3   1uH
C_C1         5 3   10n
R_R1         5 3   60
V_V3         3 0   11V
V_V5         1 0   sin(0.7 0.8 1591500) DC=0.7
C_C3         5 2   10n
L_L3         5 2   0.111uH
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200 RB=200 )

Spanningen op de verschillende knopen van de klasse F versterker

Simulatieparameters

• Tijd: 10 μs (meerdere perioden)
• Frequentie: ~1591 kHz fundamenteel
• Temperatuur: 25°C

Wat te verwachten

• Knoop 2: Collector spanning met harmonischen
• Knoop 5: Gefilterde 3e harmonische
• Stroom: Pulsvormig door transistor
• Efficiëntie: Verhoogd t.o.v. Klasse C

Wanneer we op basis van de spanningen bekomen in de bovenstaande figuur de spanningen over de trilkring van de eerste harmonische en de spanningen over de trilkring van de derde harmonische plotten, zien we dat op moment dat de eerste harmonische een minimum bereikt, de derde harmonische piekt. Dit heeft een belangrijk voordeel, namelijk de spanning over het totale circuit wordt kleiner of er kan met dezelfde spanning een veel grotere swing bekomen worden.

Verloop van de spanning over de eerste (LC1) en over de derde (LC3) harmonische.

Verloop van de collector current

Effect van de saturatiespanning

Analyse van de Simulatieresultaten

Analyse van de Simulatieresultaten

Spanningsverschillen

• Knoop 2 vs Knoop 5: Toont effect van 3e harmonische filter
• Kleurgecodeerde zones:
  • 🟢 Groen: Transistor stroom niet gereduceerd door saturatie
    • Transistor in het voorwaarts actief gebied
  • 🔴 Rood: Transistor stroom gereduceerd door saturatie
    • lage collector spanning

Harmonische werking

De 3e harmonische filter zorgt voor:

• Golfvorming: Verbeterde collector spanning
• Efficiëntie: Verminderd energieverlies
• Vermogen: Optimale energieoverdracht

Efficiëntie van Klasse F Versterkers

Efficiëntie van Klasse F Versterkers

Theoretische efficiëntie

• Klasse A: Max 50%
• Klasse B: Max 78.5%
• Klasse C: 85-90%
• Klasse F: Tot 100% (theoretisch)

Praktische voordelen

• Energiebesparing: Lagere operationele kosten
• Koeling: Minder warmteontwikkeling
• Batterijduur: Langer bij draagbare apparaten
• Vermogen: Meer output bij zelfde transistor

• ⚡ Voordeel: Hogere efficiëntie
• 💰 Nadeel: Meer componenten (kosten)
• 📐 Nadeel: Complexer ontwerp
• 📏 Nadeel: Meer PCB ruimte

klasse F versterker waarbij de uitgang oscilleert rond de grond

Klasse F versterker met oscillatie rond de grond

* klasseF
Q_Q1         2 1 0 Q2
L_L1         0 3   1uH
C_C1         0 3   10n
R_R1         0 3   100
V_V3         4 0   10V
V_V5         1 0   sin(0.4 0.8 1591500) DC=0.4
C_C3         5 3   10n
L_L3         6 3   0.111uH
R_R3         6 5   0.001
L_L2         2 4   2mH
C_C2         2 5   1000n
.model Q2  NPN(Is=14.34f BF=200 Rb=100 )

Spice simulatie van de Klasse F waarbij de uitgang oscilleert rond de grond

Waarom een alternatief schema?

Het alternatieve schema biedt:

• Aarding: Oscillatie rond 0V i.p.v. VCC
• Eenvoud: Gemakkelijkere metingen
• Praktisch: Beter voor sommige toepassingen

Spice simulatie van de Klasse F waarbij de uitgang oscilleert rond de grond. Verloop van de spanning over de eerste (LC1) en over de derde (LC3) harmonische

In {numref}ffig5 kunnen we de filter voor de derde harmonische vervangen worden door een transmissielijn van een kwart golflengte bij de resonantiefrequentie {cite}wallingClassEPAPulseWidth2009. Hierbij kiezen we de karakteristieke impedantie $Z_o$ gelijk aan de $R_L$ van de belasting. Dit zorgt voor dezelfde belasting at resonance, maar alle hogere harmonischen krijgen een belangrijke inductieve component erbij.

RF Zenders

• FM radio stations
• TV zenders
• Mobiele basisstations
• Satellietcommunicatie

Industriële toepassingen

• RF verwarming
• Plasma generatoren
• Medische diathermie
• Inductieve verwarming

Ontwerpoverwegingen

• Frequentieselectie: Fundamenteel + harmonischen
• Q-factor: Bandbreedte vs efficiëntie
• Componenttoleranties: Precisie vereist
• Thermisch management: Koeling

Samenvatting en Conclusies

Samenvatting en Conclusies

Klasse F kenmerken

• Hoogfrequent: Resonante versterkers voor vaste frequenties
• Efficiënt: Tot 95% praktische efficiëntie mogelijk
• Harmonisch: 3e harmonische filter is essentieel
• Selectief: Smalle bandbreedte (~1% van f_o)

Voordelen vs Nadelen

✅ Voordelen	❌ Nadelen
Zeer hoge efficiëntie	Meer componenten
Minder warmte	Complexer ontwerp
Meer vermogen	Hogere kosten
Energiebesparing	Meer PCB ruimte

I would rather have questions that can't be answered
than answers that can't be questioned.

Richard Feynman