射頻電路設(shè)計(jì)技術(shù)第八章

1、8.1 前 言 隨著放大器件的資用增益提高，不同功能的電路更加緊密地集成在一起，形成了典型的集成電路設(shè)計(jì)。 在微波低頻段電路的設(shè)計(jì)中，將越來(lái)越多地使用有源匹配和直流耦合技術(shù)，因?yàn)椴捎眠@些技術(shù)能實(shí)現(xiàn)高封裝密度。 功率放大器設(shè)計(jì)技術(shù)中低噪聲系數(shù)、高輸出功率和低直流功耗是最關(guān)心的性能。 在毫米波頻段晶體管增益受到限制，短截線匹配和阻抗變換器等傳統(tǒng)的匹配技術(shù)仍將繼續(xù)發(fā)展。 本章描述了用于設(shè)計(jì)射頻功率放大器的最重要的技術(shù)，簡(jiǎn)要地回顧了S參數(shù)、雙端口穩(wěn)定性、單向轉(zhuǎn)換增益的理論及分析方法。在介紹各種各樣的射頻功率放大器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前，首先介紹了功率放大器的分類(lèi)設(shè)計(jì)。 8.2 功率放大器的分類(lèi) 功率放大器的最重

2、要的指標(biāo)是輸出功率與效率。由此出發(fā)，可將功率放大器分為A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)、E類(lèi)和F類(lèi)放大器。 如果按照信號(hào)一周期內(nèi)晶體管的導(dǎo)通情況分，即按晶體管的導(dǎo)通角大小，功率放大器可分為A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)放大器。 在信號(hào)的一周期內(nèi)管子均導(dǎo)通，導(dǎo)通角（在信號(hào)周期一周內(nèi)，導(dǎo)通角度的一半定義為導(dǎo)通角），稱(chēng)為A類(lèi)放大器； 一周期內(nèi)只有一半導(dǎo)通的稱(chēng)為B類(lèi)，即； 導(dǎo)通時(shí)間小于一半周期的稱(chēng)為C類(lèi)，此時(shí)。 如果按照晶體管的等效電路分類(lèi)，則A、B、C三類(lèi)放大器是屬于同一類(lèi)，它們的特點(diǎn)是：輸入均為正弦波，晶體管都等效為一個(gè)受控電流源。而D、E、F三類(lèi)屬于另一類(lèi)功率放大器，它們的特點(diǎn)是：輸入是矩形波，晶體管被等效為受輸入信號(hào)

3、控制的開(kāi)關(guān)，它們的導(dǎo)通角都近似為，都是屬于高效率的非線性功率放大器。8.3 功率放大器的分析8.3.1 功率放大器的特點(diǎn)及主要研究對(duì)象(1)對(duì)電壓放大電路的主要要求是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)，討論的主要指標(biāo)是電壓增益、輸入和輸出阻抗等，輸出的功率并不一定大。(2)功率放大電路則不同，它主要要求獲得一定量的不失真（或失真較小）的輸出功率，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作。 1輸出功率盡可能大 為了獲得大的輸出功率，要求功放管的電壓與電流都有足夠大的輸出幅度，因此，往往要求其在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。 2高效率 由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用

4、信號(hào)功率與電源供給的直流功率之比。這個(gè)比值越大，意味著效率越高。 3非線性失真要小 功率放大電路是在大信號(hào)條件下工作，所以不可避免地會(huì)產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真往往越嚴(yán)重。 4雙極型晶體管的散熱問(wèn)題 在功率放大電路中，有相當(dāng)大的功率消耗在管子的集電極上，使結(jié)間溫度和管殼溫度都升高。8.3.2 提高功率放大器效率的主要途徑 在甲類(lèi)放大電路中，電源始終不斷地輸送功率： 在沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，這些功率全部消耗在晶體管和電阻上，并以熱量的形式耗散出去。 當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，其中一部分轉(zhuǎn)化為有用的輸出功率，信號(hào)越大，輸送給負(fù)載的功率越多。 甲類(lèi)放大電路的效率最高只能達(dá)到50%。 甲乙

5、類(lèi)放大和乙類(lèi)放大，雖然減小了靜態(tài)功耗，提高了效率，但都出現(xiàn)了嚴(yán)重的波形失真。 因此，既要保持靜態(tài)時(shí)管耗小，又要使失真不太嚴(yán)重，這就需要在電路結(jié)構(gòu)上采取措施，加以改進(jìn)，以便達(dá)到預(yù)期的效果及功效。8.4 功 率 器 件8.4.1 雙極型晶體管 通常雙極型晶體管有一個(gè)大面積的集電結(jié)，為了使散熱達(dá)到理想情況，雙極型晶體管的集電極襯底應(yīng)與其金屬外殼保持良好的接觸。 1表征散熱能力的重要參數(shù)熱阻 熱的傳導(dǎo)路徑，稱(chēng)為熱路。 阻礙熱傳導(dǎo)的阻力稱(chēng)為熱阻。 真空不易傳熱，即熱阻大；金屬的傳熱性好，即熱阻小。2功率雙極型晶體管的散熱等效熱路 在雙極型晶體管中，集電極損耗的功率是產(chǎn)生熱量的源泉。 8.4.3 微波晶體

6、管功率放大器的結(jié)構(gòu)寬帶功率放大器的電路結(jié)構(gòu)，即：（1）反射無(wú)耗匹配網(wǎng)絡(luò)的單端或平衡帶通型功率放大器；（2）有耗匹配網(wǎng)絡(luò)的功率放大器；（3）電阻反饋式功率放大器；（4）分布式或行波型功率放大器。8.4.4 功率模塊 功率模塊是指由若干雙極型晶體管、場(chǎng)效應(yīng)晶體管或BiFET組合而成的功率部件。其包括：（1）雙極型晶體管達(dá)林頓模塊；（2）功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管模塊；（3）絕緣柵雙極型晶體管模塊等。 它的突出特點(diǎn)是：（1）電流大；（2）功耗低；（3）電壓和電流范圍寬，電壓高達(dá)1200 V，電流高達(dá)400 A。 其具有許多優(yōu)點(diǎn)：（1）電極與散熱片相隔離；（2）型號(hào)不同；（3）電路多樣化；（4）便于應(yīng)用。 8.

7、4.5 器件不應(yīng)進(jìn)入二次擊穿區(qū)工作 在實(shí)際工作中，常發(fā)現(xiàn)功率雙極型晶體管的功耗并未超過(guò)允許的值，管身也并不燙，但功率雙極型晶體管卻突然失效或者性能顯著下降。這種損毀是由二次擊穿造成的。 1二次擊穿現(xiàn)象首先出現(xiàn)一次擊穿現(xiàn)象（雪崩擊穿），其具有可逆性。一次擊穿出現(xiàn)后，如果繼續(xù)增大到某數(shù)值，則出現(xiàn)二次擊穿。 2產(chǎn)生二次擊穿的原理 它的物理過(guò)程是由于流過(guò)雙極型晶體管的電流不均勻，造成結(jié)面局部高溫（稱(chēng)為熱斑），因而產(chǎn)生熱擊穿所致。這與雙極型晶體管的制造工藝有關(guān)。3功率雙極型晶體管的安全工作區(qū) 功率管的安全工作區(qū)，不僅受集電極允許的最大電流、集電極允許的最大電壓和集電極允許的最大功耗限制，而且還受二次擊穿

8、臨界曲線限制。 考慮了二次擊穿以后，功率雙極型晶體管的安全工作范圍變小了。 8.5 功率放大器的性能分析 功率放大器預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)是：中心頻率；帶寬；功率增益；增益波紋；輸入與輸出電壓駐波比；相位和延時(shí)；噪聲系數(shù)。 將一個(gè)放大器看成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)N，該二端口網(wǎng)絡(luò)的功率增益通常有四種不同的定義，即： 工作功率增益；轉(zhuǎn)移功率增益；資用功率增益；插入功率增益。1工作功率增益Gp 工作功率增益Gp的定義是，網(wǎng)絡(luò)N輸出功率 與輸入功率 之比，即：2轉(zhuǎn)移功率增益Gt 二端口網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移功率增益Gt，定義為網(wǎng)絡(luò)輸出功率 與信號(hào)源輸入的資用功率 之比，即：outPinP*out2 2Lp*in1 1inRe()

9、Re()PI I ZGPI I ZoutPaP221outt212a1bPGSPa 3資用功率增益Ga 二端口網(wǎng)絡(luò)的資用功率增益Ga，定義為網(wǎng)絡(luò)輸出資用功率 與信號(hào)源輸出的資用功率 之比，則表示為：outa()PaPoutaaa()PGP8.6 穩(wěn)定性研究與增益分析 功率放大器用于發(fā)射機(jī)的末端，它將已調(diào)制的頻帶信號(hào)放大到所需要的功率值，送到天線中發(fā)射，保證在一定區(qū)域內(nèi)的接收機(jī)可接收到滿意的信號(hào)電平，并且不干擾相鄰信道的通信。 基于這一應(yīng)用給功率放大器提出了必不可少的要求，其中，最為重要的有兩個(gè)量：（1）穩(wěn)定性；（2）增益。8.6.1 理論分析 值得強(qiáng)調(diào)的是：在多級(jí)放大器中，一個(gè)晶體管可能提供一

10、個(gè)負(fù)電阻給另一個(gè)晶體管，由此可能產(chǎn)生振蕩。因此穩(wěn)定性問(wèn)題在多級(jí)放大中變得更加嚴(yán)重。 穩(wěn)定因子K給出了穩(wěn)定性的直接指示，并由下式得到：222112212 2112SSKS S 如果K1，則晶體管是無(wú)條件穩(wěn)定的，此時(shí)，設(shè)計(jì)者能夠同時(shí)共軛匹配其輸入和輸出端口，以便獲得最高的增益與最佳的輸入和輸出端口匹配特性。 如果K1，則晶體管的穩(wěn)定性取決于源和負(fù)載阻抗相對(duì)于穩(wěn)定圓的位置，為了阻止晶體管產(chǎn)生振蕩，在其輸入和輸出端不能進(jìn)行共軛匹配。通過(guò)在輸入和輸出端故意失配，使所提供的輸入和輸出端匹配網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)偏離不穩(wěn)定區(qū)域一定的距離，也能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)可工作的放大器。 8.6.2 放大器穩(wěn)定性判定 匹配網(wǎng)絡(luò)的作用

11、是，保證放大器在所要求的工作頻率范圍內(nèi)，能達(dá)到希望的性能（如最小噪聲系數(shù)、最大增益或者最大輸出功率），設(shè)計(jì)匹配網(wǎng)絡(luò)是設(shè)計(jì)放大器的主要任務(wù)。 為便于分析小信號(hào)放大器的穩(wěn)定性與增益，晶體管可用S參數(shù)表示 。負(fù)載穩(wěn)定圓 圓的中心位置由下式給出： 圓的半徑為： 式中L*2211C2222SSS1221L2222S SrS11221221S SS S8.6.3 等增益圓 晶體管的轉(zhuǎn)換功率增益定義為傳輸?shù)截?fù)載的功率與來(lái)自源的資用功率之比，并由下式給出： 單向轉(zhuǎn)換增益的表達(dá)式： T22221SL211S22SL(1)(1)1LSGSS 22221SLTU211S22L(1)(1)(1)(1)SGSS 單向轉(zhuǎn)換增益的表達(dá)式可分解為三個(gè)因子的乘積：TUS0LGG G G2S