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高增益大功率放大器 （一）功率放大器是很重要的一个部分，它的基本要求有： 1． 要求输出功率尽可能大； 为了获得大的输出功率，要求输出电压和输出电流均有较大的幅度，即三极管处于大信号状态（往往在接近截止区与饱和区之间摆动），因此晶体管在尽限应用。选择功放管时要保留一定的余量。不得超越极限参数进入安全区，以保证功放管安全可靠的工作。 2． 非线性失真要小； 功率放大器是在大信号下工作的，所以不可避免要产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真越严重，就使得输出功率与非线性失真成为一对主要矛盾。 3． 效率要高； 由于功率放大器的输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，就存在一个效率问题。所谓效率就是最大交流功率P0与电源供给的支流功率Pe的比值，即:η= P0 / Pe，比值越大，放大器的效率就越高。 4． 要充分考虑功放管的散热； 在功率放大器中，电源供给的直流功率，一部分转换成负载有用的功率，而另一部分则成为功放管的损耗，使功放管发热，热的积累将导致晶体管性能恶化，甚至烧坏，为使管子输出足够大的功率，还要保证管子安全可靠的工作，因此管子的散热及防止击穿等问题应特别给予考虑。 （二）微波功率晶体管的性能参数 （1）极限工作电压、结击穿电压和最高工作电压； 极限工作电压（Vc）是指发生下列三种情况之一的最小电压值：P-N结发生击穿，或甚至完全损坏；晶体管的参数发生显著的变化，以至暂时丧失工作能力；管子的参数发生缓慢的，而不是不可恢复的变化。 结击穿电压Vb（极电结或发射结击穿电压，这里统称为结击穿电压）是指极电结或发射结在加有反向电压下发生击穿现象时的电压值。通常将P-N结反向电流达到一定值时的反向电压值定为击穿电压值。 最高工作电压（Vm）是指晶体管能够安全工作的最高电压。为了防止可能出现的偶然不利因素，以及保证晶体管工作的可靠性，稳定性和使用寿命，Vm必须小于晶体管的极限工作电压。 （2）极限工作温度、最高结温度和最高储存温度； 极限工作温度，通常理解为保证晶体管能够正常工作的最高温度。当晶体管内部温度超过结温时，它就要暂时失去工作的能力，或者完全失效。最高结温度是指晶体管正常工作时的最高P-N结温度（主要指集电结温度，因为热量主要在该处产生）。最高储存温度，它是保证晶体管未加电压时不遭受破坏的最高温度当温度超过最高存储温度时，其工作能力会发生不可恢复的突然丧失，或引起管子特性的不可恢复的恶化。 （3）热阻和最大集电极耗散功率； 热阻是功率晶体管是一个重要参数，它表征晶体管工作时所产生的热量向外界散发的能力。单位是“℃/W”，它的物理意义是当管子的耗散功率等于1W时晶体管的管内温升度数。它越小，晶体管散发所产生的热量本领越大，因而在相同环境温度下能够承受更大的耗散功率，热阻的定义是：Rt =（ T2 - T1 ）/ Pc。 其中T2是热源温度（即极电结温度）；T1是环境温度；Pc是晶体管工作时的极电结耗散功率。 晶体管的热阻由三个部分组成：Rt = Rti + Rtc + Rto 其中Rti表示热流由热源流至晶体管底座的那部分热阻，称为内热阻；Rtc表示热流由管子底座流至外散热器的热阻，称为接触热阻。Rto表示由散热器向周围介质（一般为空气）散发热量的热阻，称为外热阻。 最大集电极耗散功率是指在一定环境温度T1 = T0下，使极电结温度到达允许的最高值。即T2 = Tjm时的集电极耗散功率。 （4）饱和电阻和最大集电极电流； 晶体管的饱和电阻是指晶体管处在饱和状态下集电极-发射极之间的电阻（在一定的集电极电流下），可用公式：Rces = Vces / Ic。其中Vces为晶体管在饱和状态时集电极-发射极之间的压降，称为晶体管的饱和压降（在一定集电极电流下）。 无论是从制造工艺难易程度来看，还是从使用方便，安全可靠的角度来看，通常希望功率晶体管工作在低电压大电流的状态，而不是工作在高电压小电流状态。在很低的电压范围内，晶体管的饱和电阻是限制最大工作电流的主要因素。当工作电压稍大时，管子的电流放大系数（α或β）将随电流增加而下降，从而限制了工作电流的增加。当工作电压增大到一定值后，管子允许的Pcm就成为限制工作电流的决定因素了。 Ic A B C D 0 E Vce 如图所示的功率晶体管的安全工作区。当管子工作在ABCDE曲线所规定的区域内时，可以认为是安全的。其中AB是管子最大集电极工作电流Icm的限制曲线。CD为二次击穿限制曲线。DE为集电极-发射极最大耐压VCEmaxc曲线。 （5）特征频率； 特征频率定义为晶体管的电流增益β下降到1时的频率。它是表征晶体管在高频时放大能力的一个基本参量。由于特征频率与电流有关，故必须考虑它随电流分布关系。但特征频率高的管子在高频工作时，并不一定能够输出大的功率，只有在大的工作电流范围内特征频率高的管子在高频下工作才能达到大的功率输出，因此对应于特征频率峰值下的Ifm的大小是衡量晶体管输出能力的重要标志。（如图） fT Ifm Ic （6）功率增益； 功率增益Gp是微波功率晶体管重要参数之一。微波功率晶体管由于受到材料和工艺的限制，一般其Gp都不是很高，而且还受带宽和增益乘积的限制。如果要求带宽宽Gp就低，反之就大。同时Gp也是随着工作频率升高而下降，在微波功率晶体管中，由于各种因素的影响。它不遵循每倍频程6dB的下降规律，而通常以每倍频程（3~5）dB规律下降。 （7）输出功率； 微波功率晶体管的输出功率Po不仅与工作功率和工作状态有关，而且极大的依赖于管子的热状态和电流分布的均匀性。器件内部局部过热点的出现是限制最大安全输出功率的重要参数。 对于兆赫以上的微波功率晶体管。连续输出功率Po不可能超过最大集电极耗散功率Pcm值的40-50%，因为在连续使用时，管子的工作温度很高。如果一旦发生偶然的负载失配现象，反射回管子的功率将使结温继续升高，为了使结温始终保持在200℃以下，必须有良好的匹配。 （8）集电极效率； 集电极效率η定义为晶体管的输出功率与电源总消耗的比值： η=Po /( Vcc×Ic× 100 %) 其中Vcc是集电极供电电源值；Ic是流经集电极的电流值。 提高功率晶体管的效率值具有重要意义，因为效率高，电源利用率也就高，而且降低了消耗在管子内部的功率，因而降低了管子的工作温度，这就使管子的热稳定性得到改善。 提高η值总是与扩大管子的输出特性曲线的工作区域相一致，为此应当采用饱和压降小的管子并提高工作电压，而且还需要改善在不同工作电流下放大系数的均匀性，使得非线性失真不因工作区域的扩大而增加，此外η值还与工作状态有重大关系，而且是工作频率的函数。 线性微波功率放大器的主要性能指标有： （1）、工作频带 指放大器的输出功率的波动或增益不平坦度在一定范围内时，放大器所对应的工作频率宽度。 （2）、增益 定义为标称输出功率和输入功率之比。 （3）、输出功率 如图所示： 图中是功率放大器输出功率和输入功率的关系。由图可知，在小信号区，功率增益基本不变，这时功率增益（Gpmax）与输入功率大小无关。但随信号加大，功率增益便下降。通常把增益由Gpmax下降1dB的点D（即Gp(1dB)）称为1dB增益压缩点，把该点对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率Po(1dB)。当输入功率超过Pi(1dB)以后，放大器很快进入饱和区工作。此时所对应的输出功率便是饱和输出功率。 （4）、电源效率 电源效率定义为 ηdc=( Po / Pdc ) × 100 % 式中，Po是射频输出功率，Pdc是放大器电源消耗的功率。 （5）、三阶交调系数 它反映功率放大器的非线性。在两个正弦信号（ω1与ω2）激励下，由于非线性，功率放大器将产生一些新的频率分量。三阶交调系数就是（2ω1-ω2）或（2ω2 -ω1）频率信号的幅度与基波ω1或ω2的信号幅度之比值。有时为了方便，也可以直接做输入-输出功率关系曲线，来定性观察这项指标。 (三)微波晶体管S参量 将微波晶体管看成是一个线性有源两端口网络，其输入端输出端传输线的特性阻抗值为Zo，输入端信号源内阻为Zs，输出端负载阻抗为Zl。如图所示： （十）阻抗匹配的设计 设计功放模块的另一个关键就是阻抗匹配网络的设计。在任何一个功率放大模块的设计中，错误的阻抗匹配网络将使电路不稳定，同时会使电路效率降低和非线性失真加大。在设计功率放大模块匹配电路时，匹配电路应该同时满足匹配、谐波衰减、带宽、小驻波、线性及实际尺寸等多项要求。输出匹配电路主要应具备损耗低，谐波抑制度高，改善驻波比，提高输出功率及改善非线性等功能。输出匹配电路确定后，功率放大模块的输出功率及效率基本确定了，但是它的增益平坦度并不一定满足指标要求。这是需要合理设计输入匹配电路以便使增益平坦度满足要求。设计输入匹配电路时，还应考虑输入驻波比不能太大。级间匹配电路除了与输入匹配电路一起实现平坦增益特性外，还应具备级间隔直流功能。 由于功率放大模块的增益较高，必须采用多级放大器级联。这时要考虑各级器件的选择及各级技术指标的分配。主要考虑效率、线性和稳定性。在设计高增益级联功率放大模块时，为了提高效率，应选用高增益单片，尽可能减少单片数量。为了保证线性指标，需要合理设计末级功放，同时还需要合理设计前级功放，合理的设计应尽可能加大相邻两级功放的三阶交调系数差值。另外，由于输入信号与输出信号幅度相差很大，输出信号只要有一点泄漏到输入端，放大模块就很容易自激。为了消除自激，各级偏置电源间应采用去耦电路，输入输出接头应该有较好的电磁屏蔽，各级功率放大模块也应该有较好的电磁屏蔽，从而使输入与输出间有较好的隔离。 功放的设计较为复杂，尤其是在要求大功率、小体积的情况下，散热问题一定要妥善解决。在一体化功放研制中我们MMIC进行设计，目的是为了减小体积。 在工艺上，我们采用MCM技术，减小了功放的体积。 偏置对放大模块的线性影响很大。单片的直流偏置为0.6Idss左右，则其增益和交调遮断点增加到最大。改变单片放大模块线性的一个主要方法是增加其直流漏电流。另外增加漏电流会增加放大模块的输出功率。 在两极级连放大器之间，如果完全是用微带线来实现匹配，则为了便于加偏置电压，必须在两极之间加隔直电容。注意，隔直电容两边的网络阻抗应变为相等。这样才不致因加入隔直电容而引起附加反射。 我们采用计算机辅助设计软件对功放模块进行设计并优化，可以快速而准确地得到满足要求的功放，减少了调试工作量，缩短了研发周期。 （十 一）计算机辅助设计 计算机辅助设计过程包括三个基本步骤： （1）建立电路的数学模型； （2）对模型进行分析计算； （3）对分析结果进行最优化。 微波晶体管放大器辅助设计的建模过程就是表征放大器中各种有源和无源器件的特性，以提供一个技术能处理的数学模型。要建立精确的数值模型往往是有困难的。因此有时需要简化等效电路，以求得对电路设计来说具有足够精度的解析表达式，对于晶体管而言，还需要测量它在不同频率上的S参数，然后通过线性拟合，计算出整个通带内的S参数。 分析过程的目的是对于一组给定的输入量，得到放大器电路的响应特性。计算机辅助设计分析在计算辅助设计中发展最快，应用也最快。微波放大器的分析过程包含由晶体管和各匹配元件的网络参量来计算整个电路的网络参量的过程。通常将放大器各原件表示成若干二端口网络，并被联在一起。这时网络的总矩阵可通过各二端口网络元件的ABCD矩阵（或传递散射矩阵）相乘得到。 最优化就是反复修改电路参数以达到额定目标（如给定的增益、频带、噪声系数等指标）的过程。在微波放大器的计算机辅助设计中，通常采用的有两种最优化方法，即直接搜索法和梯度法。在微波设计中，由于设计参量很多，直接搜索法用得较多。因为梯度法在多变量情况下变得十分复杂。直接搜索法常用的有单纯形法、模式搜索法，Powell法等。 对整个电路模块的设计调试我们采用了微软公司的MicroWave Office 软件进行模拟仿真，这样就大大的减少了设计、调试工作量，减少了成本和开发周期。 参考书目： （1） 华伟。《半导体技术》，新型功率mos器件的结构和性能；2001年7月。 （2） 王占国。《半导体技术》，半导体材料研究的新进展；2002年3月。 （3） 卢豫曾。《功率场效应管的应用》；东南大学出版社。 （4） 杨有为，巫之鹤等。《数字微波中继通信及设备》；东南大学出版社。 （5） 闫润卿，李英惠。《微波技术基础》（第二版）；北京理工大学出版社。 （6） 赫崇骏，韩永宁，袁乃昌，何建国。《微波电路》；国防科技大学出版社 （7） 李效白。《砷化镓微波功率场效应晶体管及其集成电路》；科学出版社。 （8） 张肃文，陆兆熊。《高频电子线路》；高等教育出版社。 袁孝康，王仕蹯，朱俊达。《微带功率晶体管放大器》；人民邮电出版社
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