高增益大功率放大器设计论文汇总.docx
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高增益大功率放大器设计论文汇总
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
AB
C
D
0EVce
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
IfmIc
（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：
由于微波传输线上任何一点的电压波都看成由一个入射电压波和一个反射电压波叠加而成，并能方便的进行测量，故选择入射电压波和反射电压波为网络端口的变量。
设输入端入射电压波为a1，反射电压波为b1，输入端入射电压波为a2，反射电压波为b2，若输入端输入电压为V1，输入电压为I1，输出端的输出电压为V2，输出电流为I2，则a,b可用V，I表示如下：
a1=（1/2）（V1/
+I1
）=（V1+I1Z0）/2
b1=（1/2）（V1/
-I1
）=（V1-I1Z0）/2
a2=（1/2）（V2/
+I2
）=（V2+I2Z0）/2
b2=（1/2）（V2/
-I2
）=（V2-I2Z0）/2
以入射波a1,a2为自变量，反射波b1,b2为因变量，则可得线性网络方程为：
b1=S11a1+S12a2
b2=S21a1+S22a2
式中系数S11，S12，S21，S22即称为微波晶体管S参量，由此可求得其表示式为：
S11=b1/a1|a2=0=（V1-I1Z0）/（V1+I1Z0）=（Z1-Z0）/（Z1+Z0）
式中Z1=V1/I1为输入端阻抗。
因a2=0，有Zl=Z0，故S11表示输出端阻抗匹配时，输入端的电压反射系数。
S12=b1/a2|a1=0=-2Z0I1/（V2+I2Z0）
因a1=0，有Zs=Z0，故S12表示输入端阻抗匹配时的反向电压传输系数。
S21=b2/a1|a2=0=-2Z0I2/（V2+I2Z0）
S21表示输出端阻抗匹配时的正向电压传输系数。
S22=b2/a2|a1=0=（V2-I2Z0）/（V2+I0Z0）=（Z2-Z0）/（Z2+Z0）
式中Z2=V2/I2为输出端阻抗，S22表示输入端阻抗匹配时，输出端的电压反射系数。
在一定条件下，测出微波晶体管的S参数，就可将微波晶体管等效为两端口的S参数的线性网络，从而大大方便了微波电路的设计和计算。
（四）晶体管的选择
研制微带功率晶体管放大器遇到的第一个问题，就是正确选择晶体管，选择晶体管时，应当根据电路设计要求，晶体管参数和现实条件进行。
为了得到大的功率输出，我们应当选用热阻小，电流容量大，效率高，输入和输出阻抗匹配能力好的晶体管。
应当选用集电极耗散功率比所需要的输出功率大一倍以上的功率晶体管。
并设法使耗散功率在晶体管内部的分布要均匀，这样即可以降低热阻，又可改善晶体管的热稳定性和效率。
这一般是通过在晶体管管芯内制作适当阻值（零点几欧姆）的发射极镇流电阻来实现的。
提高晶体管的功率增益具有重要意义，因为采用功率增益大的晶体管可以减少放大器的级数，从而减少了电路元件数目，这样就简化了电路结构，降低了成本。
采用功率增益大的晶体管还可以在高频输入信号功率较小时，达到预期的输出功率指标。
因而有利于提高放大器的总效率。
考虑到功率晶体管的负载一般是由电感电容组成的谐振回路，因此在工作时，电感线圈两端所产生的感应电动势将与电源电压叠加在一起施加在管子的集电极-发射极之间，因此晶体管实际承受的电压将超过电源电压值近一倍。
此外还需考虑到由于开关电源等因素在电路中产生的瞬时高压现象。
值得注意，我们不可以在一个以上极限参数条件下使用晶体管，一般应留有20%的余量，特别是晶体管的结温应当控制在最大额定值的80%以内，因为晶体管的大多数参数都与热状态有关。
例如温度升高后管子的输出功率，增益和效率都要下降。
功率晶体管在工作过程中，由于极间电压和流经管子的电流值随时间不断变化，因此即使保持管子周围环境温度不变，管子在工作过程中也要经受剧烈的温度循环作用。
如果使用时不留余量，则外部电流等因素将使管子烧毁。
经验表明，管子的可靠性是随温度升高而按指数规律下降的（温度每升高10℃，可靠性大约降低50%）。
为提高晶体管的可靠性，除需要降低热阻和功率分布合理以外，还需要使晶体管在失配情况下强行饱和以限制峰值电流容量的能力。
现在我们一般都选用场效应管。
结型场效应管是利用电场对半导体电阻的影响而获得电流控制能力，改变反向偏置的P-N结上的电压，就能改变P-N结的的空间电参考层，而空间电荷层是一个耗尽层，几乎不能导电，因此改变P-N结的反向偏置电压就能改变半导体区域的截面积，从而控制通过半导体的电流。
场效应晶体管的优点有：
1、场效应晶体管是依靠多数截流子工作的器件，这使它没有少子存储效应，适宜了高频和高速工作，抗幅照能力强，具有负的电流温度系数，可以避免热奔和热不稳定性二次击穿等；
2、场效应晶体管在很低的温度下仍有较高的跨导（常常高于室温下的跨导值），可以工作在液氮，其至液氮温度下；
3、场效应管输入阻抗高，使输入电路功耗小，便于极间直接耦合；
4、场效应晶体管制造工艺相对比较简单；
5、电压控制，控制电路较为简单；
6、开关速度高，开关时间短，减少开关过程的功率损耗，有利于效率的提高。
选择场效应管，还因为功率场效应管的特性：
1、输出特性
功率MOSFET的基本输出特性如图所示：
输出特性分为三个区域：
可调电阻区，饱和电阻区和雪崩区。
可调电阻区的漏级电流ID与VDS几乎成线性关系，当ID随VDS增加到某一值后，器件内的沟道被夹断，开始进入饱和区，ID趋于稳定不变，而继续增加VDS，当漏级P-N结发生雪崩击穿时漏级ID剧增，进入雪崩区，直至器件损坏。
2、转移特性
MOSFET的栅源间用硅氧化膜进行隔离，输入阻抗极高，约1000MΩ，为电压控制器件。
如图所示：
若在功率MOSFET的栅极加的电压超过规定值，则漏级电压称为门限电压或开启电压，温度越高，门限电压越小。
3、开关特性
功率MOSFET是靠多数载流子传导电流的，没有少数载流子蓄积而产生的延迟时间。
开关速度高，开关时间很短，其开关时间主要由寄生电容大小而决定，即与栅-源极间以及栅漏极间结电容的充放电时间成比例，时间常数为结电容与信号源阻抗的乘积。
功率MOSFET开关特性主要表现为开通时间与关断时间，开通时间分为延迟时间和上升时间，延迟时间就是由输入信号把栅极电压由开启电压经线性区充电到产生所决定漏级电流所必要的电压（5-8V）的时间。
关断时间分为存储时间和下降时间，存储时间就是栅极电压由过激电压（10V）放到有效区电压（5-8V）所需要的时间，下降时间就是栅极电压从有效区放电到开启电压所需要的时间。
4、极间电容
功率MOSFET极间电容有输入电容（栅源极间电容），输出电容（漏源极间电容），和反馈电容（栅漏极间电容）。
通常对于垂直导电结构的MOSFET，为减小导通电阻，栅极仍为网状结构，面积增大，因此电容量也增大。
5、通态，电阻与温度之间的关系
通态电阻随漏级电流变化较大，随温度变化也较大，温度由25℃变到125℃时通态电阻约增大2倍。
6、漏源极间的二极管
功率MOSFET结构上是在漏级极间构成的二极管，对于N沟道MOSFET，源极电压对于漏级电压为正向电压而导通，可以流经最大定额的漏级电流，二极管的反向恢复时间极短，约0.1~1uS。
7、安全工作区与功率
功率MOSFET转移特性为负温度系数，因此不会出现因电流集中而引起器件损坏，在高压范围内，具有非常宽的安全工作区。
场效应管有如此之多的优点，所以我们选择它，而它的材料目前一般都用砷化镓（GaAs）。
GaAs是微电子的基础材料，为直接带隙，具有电子饱和和漂移速度高，耐高温，抗辐射等特点。
在超高速、超高频、低功耗、低噪音器件和电路，特别是在光电子器件和光电集成方面占有独特的优势。
目前，世界GaAs单晶的总年产量已超过200吨。
GaAs器件与电路的持续发展，主要基于它有如下优点：
（1）在GaAs中，传导电子迁移率比Si中大五倍，电子峰值漂移速度比Si中快一倍，所在寄生电阻较小，跨导较大，电子在高场区内渡越时间较短，因此GaAs器件可获得比Si更高的工作频率和放大增益，从而可能将双端口固态器件向微波高端发展，而此前在该频段双端口器件一直使用磁控管和调速器一类的热电子器件。
（2）Si,Ge材料本征电阻率不高，而GaAs有源层可生长在自身电阻率大于107Ω。
Cm的半绝缘衬底上，因而可以通过把压点放在衬底上的办法来消除栅极压点上产生的大寄生电容，便于低损耗互连和高密度封装下的隔离，集成方便。
（3）从器件结构和加工工艺上来说，需要精确控制的尺寸相对比较容易，也比较少（只有栅长和沟道厚度），因此便于实现微细加工以达到更高的性能，实现多种多样的FET结构和小型化等。
（4）在输出功率和工作频率相近的情况下，肖特基势垒比P-N结的输入阻抗要高，器件的反向隔离度较大，因此便于使用。
（5）和二极管（如INPUT，GUNN）相比，GaAs器件噪声低，频率高，使用方便，和双极型器件相比，GaAsMESFET不存在基区电导调制效应，因此线性较双极型器件要好，三阶交调失真测量结果表明优于5~10dB；GaAsMESFET是多子器件，而且栅下没有电荷存留的氧化层，因此本征上具有抗中子、γ光子幅照的能力，在导弹、核武器、航天使用中具有优越性。
和真空电子管相比，电子管的输出功率一般来说要大的多。
但电子管的噪声、线性、增益平坦度等则差得多，尤其是寿命一般来说要短得多。
GaAs器件的发展趋势是：
（1）.增大晶体直径；
（2）.提高材料的电学和光学微区均匀性；
（3）.降低单晶的缺陷密度，特别是位错；
（4）.GaAs单晶的VGF生长技术发展。
我国早在1970年就开始低噪声GaAsMESFET的研究开发工作，并于1978年设计定型了国内第一个砷化镓微波低噪声场效应管；1974年开始研究砷化镓功率器件，并且在1980年国内首次定型砷化镓微波功率场效应管。
此后研究范围扩展到数字电路，模拟电路和毫米波领域，在微波通信、航天等多方面得到了广泛应用。
（五）微带线技术
在连接方面我们采用微带线技术，微带线是一种应用于微波功率晶体管放大电路，十分有效和方便的。
主要有：
（1）整个电路无论其图形如何复杂，均可用淀积、照相光刻的方法，精确地复制在介质基片上，将基片固定在作用接地板的金属基座上就构成一完整的电路。
其制造成本远比同功能的波导和同轴电路低；
（2）在多级电路中可以消除许多接头，这就消除了许多难以预计的接头反射和接触损耗，故电路制作的重复性好，性能优良；
（3）功率晶体管易于安装在微带基片上，尤其是特为微带电路生产的最新型的微波功率晶体管更加容易安装；
（4）晶体管的引线长度在微带传输线中容易裁合以获得阻抗匹配，尤其是特为微带电路所设计的微波晶体管更是如此；
（5）采用微带线能保证有良好的接地平面，并能使元件间的分布电容小；
（6）微波功率晶体管的输入阻抗低，输出阻抗也低，更适用于微带线；
（7）大多数微带电路体积小，重量轻，可靠性高；
为了增大微带线的功率容量，必须减小它的热阻，因此应当选用导热系数大的介质材料做为微带电路基片，并且使基片接地面与散热器有良好的热接触。
同时还应当减小基片厚度，使散热更好。
但是基片厚度不宜过分的减小。
因为微带线的导体衰减系数与基片厚度成反比。
导体的衰减太大显然是不允许的。
由于微带线损耗较大，散热能力较差，在大功率应用中，应当采用氧化铂陶瓷做为基片，因为它的导热能力与普通氧化铝陶瓷的大十倍，必要时还可以考虑整个微带电路强制冷却。
微带线十分有用和方便，其封装形式也有其特点：
（1）.寄生参量对微波功率晶体管性能的影响；
为了保护管芯免遭机械损伤，以及防潮防尘等考虑，晶体管总是要封装的。
封装不可避免地要引入寄生参量（寄生电感、寄生电容和各种消耗），这些寄生参量对于微波功率晶体管的性能有重大影响，甚至会破坏已制成的管芯的良好性能。
（2）.微波功率晶体管的封装形式；
微波功率晶体管对管壳有下列特殊要求：
良好的散热性能（小的管壳热阻）；寄生参量要小；管壳应与集电极电绝缘。
若发射极或基极（而不是集电极）与管壳连通，可使发射极或基极的引线电感大大降低，此外，管壳与集电极电绝缘之后，安装散热器也方便。
（六）接地方式
接地方式的选择直接影响着管子的使用和效率。
放大器的接地方式有发射极接地、基极接地和集电极接地三种，而通常因集电极接地方式功率增益小，故很少使用。
究竟选择发射极接地还是基极接地，则要根据使用频率、输出功率和稳定度等因素来决定。
（在微波频段上，还要由管子的结构决定）。
一般在满足决定稳定条件（无论负载如何，输入阻抗的实部一定不为负值）的频率范围内，可以证明发射极接地比基极接地方式用得广泛。
但是在很高频率时，发射极引线电感对发射极接地电路要比对基极接地电路产生更坏的影响。
对于给定的输出功率和功率增益，采用基极接地方式比采用发射极接地方式，对于晶体管的要求更低，因而成本也低。
更重要的是基极接地晶体管的功率增益比发射极接地晶体管的功率增益要高2~3dB。
但是，这种较高的增益在实际中并不能轻易的取得。
计算机分析表明，基极接地晶体管功率增益的增加，主要是由于基极扩展电阻和基极引线电感的正的再生作用提供的，在这里电感值是相当临界的。
如果过大，器件就不稳定。
因此在目前一般来说，在高频大功率应用中多采用基极接地方式，在功率较小时多采用发射极接地方式。
在较高频率下，接地电路的质量对于放大器的稳定工作是很重要的，由于功率晶体管工作时的输入或输出阻抗很低，故接地电路的质量问题就特别突出。
接地电路的电阻要尽可能的低。
（这与降低热阻的要求通常是一致的。
）
（七）寄生振荡的消除
在微波功率晶体管放大器中，经常碰到的问题是可能出现寄生振荡，例如低频振荡，参量振荡或负阻特性引起的振荡等等。
消除这些寄生振荡，是放大器稳定工作的首要前提。
（1）低频寄生振荡
晶体管的增益是随着频率的降低以每倍频程约（3~5）dB的比例增加。
因此，在单级放大器中，当由于某种原因形成低频谐振电路时，便可能引起低频寄生振荡。
原因有
（1）由热反馈效应产生的低频振荡
（2）电源去耦合不良（3）耦合场的外回授（4）晶体管极间电容Cbc的内回授。
等等。
（2）参量振荡
在微带功率放大器中，由于晶体管工作于大信号的非线性状态。
其参量（如β,fT,Cec,及Cbc等）将随各电级电压变化，其中特别是Cbc,如图所示：
当集电极输出电压增加时，它是按非线性规律减小的。
由于Cbc的非线性特性，当晶体管工作于输出特性曲线的临界线附近时，若Cbc则集电极回路必呈感性，这时反映在输入端就出现一个负电阻，于是就有可能产生自激振荡。
这种振荡是由晶体管的自身的参量变化引起的，故称之为参量振荡。
（3）高频振荡
这类负载特性是由晶体管的渡越时间效应和雪崩击穿效应产生的。
前者较难克服，后者可通过适当选择工作点，使晶体管不要工作在大电流高电压区内。
进行电路设计时，应采用适当的保护电路，以防止负载及电压变化时使晶体管处于安全工作区之外。
这些对放大器的工作有很大的影响，必须予以消除，具体的措施有：
（1）降低射频扼流圈的Q值；
（2）减少射频扼流圈的电流；
（3）加装电容器，使它们对高频和低频分别能起到旁路作用
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