高增益大功率放大器設(shè)計(jì)論文

1、高增益大功率放大器（一）功率放大器是很重要的一個(gè)部分，它的基本要求有：1 要求輸出功率盡可能大； 為了獲得大的輸出功率，要求輸出電壓和輸出電流均有較大的幅度，即三極管處于大信號(hào)狀態(tài)（往往在接近截止區(qū)與飽和區(qū)之間擺動(dòng)），因此晶體管在盡限應(yīng)用。選擇功放管時(shí)要保留一定的余量。不得超越極限參數(shù)進(jìn)入安全區(qū)，以保證功放管安全可靠的工作。2 非線性失真要小； 功率放大器是在大信號(hào)下工作的，所以不可避免要產(chǎn)生非線性失真，而且同一功放管輸出功率越大，非線性失真越嚴(yán)重，就使得輸出功率與非線性失真成為一對(duì)主要矛盾。3 效率要高； 由于功率放大器的輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就

2、是最大交流功率P0與電源供給的支流功率Pe的比值，即:= P0 / Pe，比值越大，放大器的效率就越高。4 要充分考慮功放管的散熱； 在功率放大器中，電源供給的直流功率，一部分轉(zhuǎn)換成負(fù)載有用的功率，而另一部分則成為功放管的損耗，使功放管發(fā)熱，熱的積累將導(dǎo)致晶體管性能惡化，甚至燒壞，為使管子輸出足夠大的功率，還要保證管子安全可靠的工作，因此管子的散熱及防止擊穿等問(wèn)題應(yīng)特別給予考慮。（二）微波功率晶體管的性能參數(shù)（1） 極限工作電壓、結(jié)擊穿電壓和最高工作電壓；極限工作電壓（Vc）是指發(fā)生下列三種情況之一的最小電壓值：P-N結(jié)發(fā)生擊穿，或甚至完全損壞；晶體管的參數(shù)發(fā)生顯著的變化，以至?xí)簳r(shí)喪失工作能力

3、；管子的參數(shù)發(fā)生緩慢的，而不是不可恢復(fù)的變化。結(jié)擊穿電壓Vb（極電結(jié)或發(fā)射結(jié)擊穿電壓，這里統(tǒng)稱(chēng)為結(jié)擊穿電壓）是指極電結(jié)或發(fā)射結(jié)在加有反向電壓下發(fā)生擊穿現(xiàn)象時(shí)的電壓值。通常將P-N結(jié)反向電流達(dá)到一定值時(shí)的反向電壓值定為擊穿電壓值。最高工作電壓（Vm）是指晶體管能夠安全工作的最高電壓。為了防止可能出現(xiàn)的偶然不利因素，以及保證晶體管工作的可靠性，穩(wěn)定性和使用壽命，Vm必須小于晶體管的極限工作電壓。（2） 極限工作溫度、最高結(jié)溫度和最高儲(chǔ)存溫度； 極限工作溫度，通常理解為保證晶體管能夠正常工作的最高溫度。當(dāng)晶體管內(nèi)部溫度超過(guò)結(jié)溫時(shí)，它就要暫時(shí)失去工作的能力，或者完全失效。最高結(jié)溫度是指晶體管正常工作時(shí)

4、的最高P-N結(jié)溫度（主要指集電結(jié)溫度，因?yàn)闊崃恐饕谠撎幃a(chǎn)生）。最高儲(chǔ)存溫度，它是保證晶體管未加電壓時(shí)不遭受破壞的最高溫度當(dāng)溫度超過(guò)最高存儲(chǔ)溫度時(shí)，其工作能力會(huì)發(fā)生不可恢復(fù)的突然喪失，或引起管子特性的不可恢復(fù)的惡化。（3） 熱阻和最大集電極耗散功率；熱阻是功率晶體管是一個(gè)重要參數(shù)，它表征晶體管工作時(shí)所產(chǎn)生的熱量向外界散發(fā)的能力。單位是“/W”，它的物理意義是當(dāng)管子的耗散功率等于1W時(shí)晶體管的管內(nèi)溫升度數(shù)。它越小，晶體管散發(fā)所產(chǎn)生的熱量本領(lǐng)越大，因而在相同環(huán)境溫度下能夠承受更大的耗散功率，熱阻的定義是：Rt =（ T2 - T1 ）/ Pc。其中T2是熱源溫度（即極電結(jié)溫度）；T1是環(huán)境溫度；P

5、c是晶體管工作時(shí)的極電結(jié)耗散功率。晶體管的熱阻由三個(gè)部分組成：Rt = Rti + Rtc + Rto其中Rti表示熱流由熱源流至晶體管底座的那部分熱阻，稱(chēng)為內(nèi)熱阻；Rtc表示熱流由管子底座流至外散熱器的熱阻，稱(chēng)為接觸熱阻。Rto表示由散熱器向周?chē)橘|(zhì)（一般為空氣）散發(fā)熱量的熱阻，稱(chēng)為外熱阻。最大集電極耗散功率是指在一定環(huán)境溫度T1 = T0下，使極電結(jié)溫度到達(dá)允許的最高值。即T2 = Tjm時(shí)的集電極耗散功率。（4） 飽和電阻和最大集電極電流；晶體管的飽和電阻是指晶體管處在飽和狀態(tài)下集電極-發(fā)射極之間的電阻（在一定的集電極電流下），可用公式：Rces = Vces / Ic。其中Vces為晶

6、體管在飽和狀態(tài)時(shí)集電極-發(fā)射極之間的壓降，稱(chēng)為晶體管的飽和壓降（在一定集電極電流下）。無(wú)論是從制造工藝難易程度來(lái)看，還是從使用方便，安全可靠的角度來(lái)看，通常希望功率晶體管工作在低電壓大電流的狀態(tài)，而不是工作在高電壓小電流狀態(tài)。在很低的電壓范圍內(nèi)，晶體管的飽和電阻是限制最大工作電流的主要因素。當(dāng)工作電壓稍大時(shí)，管子的電流放大系數(shù)（或）將隨電流增加而下降，從而限制了工作電流的增加。當(dāng)工作電壓增大到一定值后，管子允許的Pcm就成為限制工作電流的決定因素了。 Ic A B C D 0 E Vce 如圖所示的功率晶體管的安全工作區(qū)。當(dāng)管子工作在ABCDE曲線所規(guī)定的區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為是安全的。其中AB是

7、管子最大集電極工作電流Icm的限制曲線。CD為二次擊穿限制曲線。DE為集電極-發(fā)射極最大耐壓VCEmaxc曲線。 （5） 特征頻率；特征頻率定義為晶體管的電流增益下降到1時(shí)的頻率。它是表征晶體管在高頻時(shí)放大能力的一個(gè)基本參量。由于特征頻率與電流有關(guān)，故必須考慮它隨電流分布關(guān)系。但特征頻率高的管子在高頻工作時(shí)，并不一定能夠輸出大的功率，只有在大的工作電流范圍內(nèi)特征頻率高的管子在高頻下工作才能達(dá)到大的功率輸出，因此對(duì)應(yīng)于特征頻率峰值下的Ifm的大小是衡量晶體管輸出能力的重要標(biāo)志。（如圖） fT Ifm Ic （6） 功率增益； 功率增益Gp是微波功率晶體管重要參數(shù)之一。微波功率晶體管由于受到材料和

8、工藝的限制，一般其Gp都不是很高，而且還受帶寬和增益乘積的限制。如果要求帶寬寬Gp就低，反之就大。同時(shí)Gp也是隨著工作頻率升高而下降，在微波功率晶體管中，由于各種因素的影響。它不遵循每倍頻程6dB的下降規(guī)律，而通常以每倍頻程（35）dB規(guī)律下降。（7） 輸出功率；微波功率晶體管的輸出功率Po不僅與工作功率和工作狀態(tài)有關(guān)，而且極大的依賴(lài)于管子的熱狀態(tài)和電流分布的均勻性。器件內(nèi)部局部過(guò)熱點(diǎn)的出現(xiàn)是限制最大安全輸出功率的重要參數(shù)。對(duì)于兆赫以上的微波功率晶體管。連續(xù)輸出功率Po不可能超過(guò)最大集電極耗散功率Pcm值的40-50%，因?yàn)樵谶B續(xù)使用時(shí)，管子的工作溫度很高。如果一旦發(fā)生偶然的負(fù)載失配現(xiàn)象，反射

9、回管子的功率將使結(jié)溫繼續(xù)升高，為了使結(jié)溫始終保持在200以下，必須有良好的匹配。（8） 集電極效率；集電極效率定義為晶體管的輸出功率與電源總消耗的比值： =Po /( Vcc×Ic× 100 %)其中Vcc是集電極供電電源值；Ic是流經(jīng)集電極的電流值。提高功率晶體管的效率值具有重要意義，因?yàn)樾矢?，電源利用率也就高，而且降低了消耗在管子?nèi)部的功率，因而降低了管子的工作溫度，這就使管子的熱穩(wěn)定性得到改善。提高值總是與擴(kuò)大管子的輸出特性曲線的工作區(qū)域相一致，為此應(yīng)當(dāng)采用飽和壓降小的管子并提高工作電壓，而且還需要改善在不同工作電流下放大系數(shù)的均勻性，使得非線性失真不因工作區(qū)域的擴(kuò)

10、大而增加，此外值還與工作狀態(tài)有重大關(guān)系，而且是工作頻率的函數(shù)。線性微波功率放大器的主要性能指標(biāo)有：（1）、工作頻帶指放大器的輸出功率的波動(dòng)或增益不平坦度在一定范圍內(nèi)時(shí)，放大器所對(duì)應(yīng)的工作頻率寬度。（2）、增益定義為標(biāo)稱(chēng)輸出功率和輸入功率之比。（3）、輸出功率如圖所示： 圖中是功率放大器輸出功率和輸入功率的關(guān)系。由圖可知，在小信號(hào)區(qū)，功率增益基本不變，這時(shí)功率增益（Gpmax）與輸入功率大小無(wú)關(guān)。但隨信號(hào)加大，功率增益便下降。通常把增益由Gpmax下降1dB的點(diǎn)D（即Gp(1dB)）稱(chēng)為1dB增益壓縮點(diǎn)，把該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的輸出功率稱(chēng)為1dB增益壓縮點(diǎn)輸出功率Po(1dB)。當(dāng)輸入功率超過(guò)Pi(1dB)

11、以后，放大器很快進(jìn)入飽和區(qū)工作。此時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸出功率便是飽和輸出功率。（4）、電源效率電源效率定義為 dc=( Po / Pdc ) × 100 %式中，Po是射頻輸出功率，Pdc是放大器電源消耗的功率。（5）、三階交調(diào)系數(shù)它反映功率放大器的非線性。在兩個(gè)正弦信號(hào)（1與2）激勵(lì)下，由于非線性，功率放大器將產(chǎn)生一些新的頻率分量。三階交調(diào)系數(shù)就是（21-2）或（22 -1）頻率信號(hào)的幅度與基波1或2的信號(hào)幅度之比值。有時(shí)為了方便，也可以直接做輸入-輸出功率關(guān)系曲線，來(lái)定性觀察這項(xiàng)指標(biāo)。(三)微波晶體管S參量將微波晶體管看成是一個(gè)線性有源兩端口網(wǎng)絡(luò)，其輸入端輸出端傳輸線的特性阻抗值為Zo，

12、輸入端信號(hào)源內(nèi)阻為Zs，輸出端負(fù)載阻抗為Zl。如圖所示： 由于微波傳輸線上任何一點(diǎn)的電壓波都看成由一個(gè)入射電壓波和一個(gè)反射電壓波疊加而成，并能方便的進(jìn)行測(cè)量，故選擇入射電壓波和反射電壓波為網(wǎng)絡(luò)端口的變量。設(shè)輸入端入射電壓波為a1，反射電壓波為b1，輸入端入射電壓波為a2，反射電壓波為b2，若輸入端輸入電壓為V1，輸入電壓為I1，輸出端的輸出電壓為V2，輸出電流為I2，則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 /+

13、I2 ) = ( V2+I2Z0 ) / 2 b2 =（1/2）( V2 /- I2 ) = ( V2 - I2Z0 ) / 2以入射波a1 , a2為自變量，反射波b1 , b2為因變量，則可得線性網(wǎng)絡(luò)方程為： b1 = S11a1 + S12a2 b2 = S21a1 + S22a2式中系數(shù)S11，S12，S21，S22即稱(chēng)為微波晶體管S參量，由此可求得其表示式為： S11 = b1/a1 |a2=0 = (V1-I1Z0) / (V1+I1Z0) = (Z1-Z0) / (Z1+Z0) 式中Z1 = V1 / I1為輸入端阻抗。因a2 = 0，有Zl = Z0，故S11表示輸出端阻抗匹配

14、時(shí)，輸入端的電壓反射系數(shù)。 S12 = b1 / a2 |a1=0 = -2Z0I1 / ( V2 + I2Z0 ) 因a1 = 0，有Zs = Z0，故S12表示輸入端阻抗匹配時(shí)的反向電壓傳輸系數(shù)。 S21 = b2 / a1 |a2=0 = -2Z0I2 / ( V2+I2Z0 )S21表示輸出端阻抗匹配時(shí)的正向電壓傳輸系數(shù)。 S22 = b2 / a2 |a1=0 = ( V2-I2Z0 ) / ( V2+I0Z0 ) = ( Z2-Z0 ) / ( Z2+Z0 )式中Z2 = V2 / I2為輸出端阻抗，S22表示輸入端阻抗匹配時(shí)，輸出端的電壓反射系數(shù)。 在一定條件下，測(cè)出微波晶體管的

15、S參數(shù)，就可將微波晶體管等效為兩端口的S參數(shù)的線性網(wǎng)絡(luò)，從而大大方便了微波電路的設(shè)計(jì)和計(jì)算。(四)晶體管的選擇 研制微帶功率晶體管放大器遇到的第一個(gè)問(wèn)題，就是正確選擇晶體管，選擇晶體管時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求，晶體管參數(shù)和現(xiàn)實(shí)條件進(jìn)行。為了得到大的功率輸出，我們應(yīng)當(dāng)選用熱阻小，電流容量大，效率高，輸入和輸出阻抗匹配能力好的晶體管。應(yīng)當(dāng)選用集電極耗散功率比所需要的輸出功率大一倍以上的功率晶體管。并設(shè)法使耗散功率在晶體管內(nèi)部的分布要均勻，這樣即可以降低熱阻，又可改善晶體管的熱穩(wěn)定性和效率。這一般是通過(guò)在晶體管管芯內(nèi)制作適當(dāng)阻值（零點(diǎn)幾歐姆）的發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)的。提高晶體管的功率增益具有重要意義

16、，因?yàn)椴捎霉β试鲆娲蟮木w管可以減少放大器的級(jí)數(shù)，從而減少了電路元件數(shù)目，這樣就簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了成本。采用功率增益大的晶體管還可以在高頻輸入信號(hào)功率較小時(shí)，達(dá)到預(yù)期的輸出功率指標(biāo)。因而有利于提高放大器的總效率?？紤]到功率晶體管的負(fù)載一般是由電感電容組成的諧振回路，因此在工作時(shí)，電感線圈兩端所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將與電源電壓疊加在一起施加在管子的集電極-發(fā)射極之間，因此晶體管實(shí)際承受的電壓將超過(guò)電源電壓值近一倍。此外還需考慮到由于開(kāi)關(guān)電源等因素在電路中產(chǎn)生的瞬時(shí)高壓現(xiàn)象。值得注意，我們不可以在一個(gè)以上極限參數(shù)條件下使用晶體管，一般應(yīng)留有20%的余量，特別是晶體管的結(jié)溫應(yīng)當(dāng)控制在最大額定值的80

17、%以內(nèi)，因?yàn)榫w管的大多數(shù)參數(shù)都與熱狀態(tài)有關(guān)。例如溫度升高后管子的輸出功率，增益和效率都要下降。功率晶體管在工作過(guò)程中，由于極間電壓和流經(jīng)管子的電流值隨時(shí)間不斷變化，因此即使保持管子周?chē)h(huán)境溫度不變，管子在工作過(guò)程中也要經(jīng)受劇烈的溫度循環(huán)作用。如果使用時(shí)不留余量，則外部電流等因素將使管子燒毀。經(jīng)驗(yàn)表明，管子的可靠性是隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)律下降的（溫度每升高10，可靠性大約降低50%）。為提高晶體管的可靠性，除需要降低熱阻和功率分布合理以外，還需要使晶體管在失配情況下強(qiáng)行飽和以限制峰值電流容量的能力。現(xiàn)在我們一般都選用場(chǎng)效應(yīng)管。結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)對(duì)半導(dǎo)體電阻的影響而獲得電流控制能力，改變反向

18、偏置的P-N結(jié)上的電壓，就能改變P-N結(jié)的的空間電參考層，而空間電荷層是一個(gè)耗盡層，幾乎不能導(dǎo)電，因此改變P-N結(jié)的反向偏置電壓就能改變半導(dǎo)體區(qū)域的截面積，從而控制通過(guò)半導(dǎo)體的電流。場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)有：1、 場(chǎng)效應(yīng)晶體管是依靠多數(shù)截流子工作的器件，這使它沒(méi)有少子存儲(chǔ)效應(yīng)，適宜了高頻和高速工作，抗幅照能力強(qiáng)，具有負(fù)的電流溫度系數(shù)，可以避免熱奔和熱不穩(wěn)定性二次擊穿等；2、 場(chǎng)效應(yīng)晶體管在很低的溫度下仍有較高的跨導(dǎo)（常常高于室溫下的跨導(dǎo)值），可以工作在液氮，其至液氮溫度下；3、 場(chǎng)效應(yīng)管輸入阻抗高，使輸入電路功耗小，便于極間直接耦合；4、 場(chǎng)效應(yīng)晶體管制造工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)單；5、 電壓控制，控制電路

19、較為簡(jiǎn)單；6、 開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，減少開(kāi)關(guān)過(guò)程的功率損耗，有利于效率的提高。選擇場(chǎng)效應(yīng)管，還因?yàn)楣β蕡?chǎng)效應(yīng)管的特性：1、 輸出特性功率MOS FET的基本輸出特性如圖所示：輸出特性分為三個(gè)區(qū)域：可調(diào)電阻區(qū)，飽和電阻區(qū)和雪崩區(qū)。可調(diào)電阻區(qū)的漏級(jí)電流ID與VDS幾乎成線性關(guān)系，當(dāng)ID隨VDS增加到某一值后，器件內(nèi)的溝道被夾斷，開(kāi)始進(jìn)入飽和區(qū)，ID趨于穩(wěn)定不變，而繼續(xù)增加VDS，當(dāng)漏級(jí)P-N結(jié)發(fā)生雪崩擊穿時(shí)漏級(jí)ID劇增，進(jìn)入雪崩區(qū)，直至器件損壞。2、 轉(zhuǎn)移特性MOS FET的柵源間用硅氧化膜進(jìn)行隔離，輸入阻抗極高，約1000M，為電壓控制器件。如圖所示： 若在功率MOS FET的柵極加的電壓超

20、過(guò)規(guī)定值，則漏級(jí)電壓稱(chēng)為門(mén)限電壓或開(kāi)啟電壓，溫度越高，門(mén)限電壓越小。3、 開(kāi)關(guān)特性功率MOS FET是靠多數(shù)載流子傳導(dǎo)電流的，沒(méi)有少數(shù)載流子蓄積而產(chǎn)生的延遲時(shí)間。開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)時(shí)間很短，其開(kāi)關(guān)時(shí)間主要由寄生電容大小而決定，即與柵-源極間以及柵漏極間結(jié)電容的充放電時(shí)間成比例，時(shí)間常數(shù)為結(jié)電容與信號(hào)源阻抗的乘積。功率MOS FET開(kāi)關(guān)特性主要表現(xiàn)為開(kāi)通時(shí)間與關(guān)斷時(shí)間，開(kāi)通時(shí)間分為延遲時(shí)間和上升時(shí)間，延遲時(shí)間就是由輸入信號(hào)把柵極電壓由開(kāi)啟電壓經(jīng)線性區(qū)充電到產(chǎn)生所決定漏級(jí)電流所必要的電壓（5-8V）的時(shí)間。關(guān)斷時(shí)間分為存儲(chǔ)時(shí)間和下降時(shí)間，存儲(chǔ)時(shí)間就是柵極電壓由過(guò)激電壓（10V）放到有效區(qū)電壓（5-8

21、V）所需要的時(shí)間，下降時(shí)間就是柵極電壓從有效區(qū)放電到開(kāi)啟電壓所需要的時(shí)間。4、 極間電容 功率MOS FET極間電容有輸入電容（柵源極間電容），輸出電容（漏源極間電容），和反饋電容（柵漏極間電容）。通常對(duì)于垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的MOS FET，為減小導(dǎo)通電阻，柵極仍為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，面積增大，因此電容量也增大。5、 通態(tài)，電阻與溫度之間的關(guān)系通態(tài)電阻隨漏級(jí)電流變化較大，隨溫度變化也較大，溫度由25變到125時(shí)通態(tài)電阻約增大2倍。6、 漏源極間的二極管功率MOS FET結(jié)構(gòu)上是在漏級(jí)極間構(gòu)成的二極管，對(duì)于N溝道MOS FET，源極電壓對(duì)于漏級(jí)電壓為正向電壓而導(dǎo)通，可以流經(jīng)最大定額的漏級(jí)電流，二極管的反向恢復(fù)時(shí)

22、間極短，約0.11uS。7、 安全工作區(qū)與功率功率MOS FET轉(zhuǎn)移特性為負(fù)溫度系數(shù)，因此不會(huì)出現(xiàn)因電流集中而引起器件損壞，在高壓范圍內(nèi)，具有非常寬的安全工作區(qū)。場(chǎng)效應(yīng)管有如此之多的優(yōu)點(diǎn)，所以我們選擇它，而它的材料目前一般都用砷化鎵（GaAs）。GaAs是微電子的基礎(chǔ)材料，為直接帶隙，具有電子飽和和漂移速度高，耐高溫，抗輻射等特點(diǎn)。在超高速、超高頻、低功耗、低噪音器件和電路，特別是在光電子器件和光電集成方面占有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，世界GaAs單晶的總年產(chǎn)量已超過(guò)200噸。GaAs器件與電路的持續(xù)發(fā)展，主要基于它有如下優(yōu)點(diǎn)：（1） 在GaAs中，傳導(dǎo)電子遷移率比Si中大五倍，電子峰值漂移速度比Si

23、中快一倍，所在寄生電阻較小，跨導(dǎo)較大，電子在高場(chǎng)區(qū)內(nèi)渡越時(shí)間較短，因此GaAs器件可獲得比Si更高的工作頻率和放大增益，從而可能將雙端口固態(tài)器件向微波高端發(fā)展，而此前在該頻段雙端口器件一直使用磁控管和調(diào)速器一類(lèi)的熱電子器件。（2） Si , Ge材料本征電阻率不高，而GaAs有源層可生長(zhǎng)在自身電阻率大于107。Cm的半絕緣襯底上，因而可以通過(guò)把壓點(diǎn)放在襯底上的辦法來(lái)消除柵極壓點(diǎn)上產(chǎn)生的大寄生電容，便于低損耗互連和高密度封裝下的隔離，集成方便。（3） 從器件結(jié)構(gòu)和加工工藝上來(lái)說(shuō)，需要精確控制的尺寸相對(duì)比較容易，也比較少（只有柵長(zhǎng)和溝道厚度），因此便于實(shí)現(xiàn)微細(xì)加工以達(dá)到更高的性能，實(shí)現(xiàn)多種多樣的F

24、ET結(jié)構(gòu)和小型化等。（4） 在輸出功率和工作頻率相近的情況下，肖特基勢(shì)壘比P-N結(jié)的輸入阻抗要高，器件的反向隔離度較大，因此便于使用。（5） 和二極管（如INPUT，GUNN）相比，GaAs器件噪聲低，頻率高，使用方便，和雙極型器件相比，GaAs MESFET不存在基區(qū)電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，因此線性較雙極型器件要好，三階交調(diào)失真測(cè)量結(jié)果表明優(yōu)于510dB；GaAs MESFET是多子器件，而且柵下沒(méi)有電荷存留的氧化層，因此本征上具有抗中子、光子幅照的能力，在導(dǎo)彈、核武器、航天使用中具有優(yōu)越性。和真空電子管相比，電子管的輸出功率一般來(lái)說(shuō)要大的多。但電子管的噪聲、線性、增益平坦度等則差得多，尤其是壽命一般

25、來(lái)說(shuō)要短得多。GaAs器件的發(fā)展趨勢(shì)是：（1）.增大晶體直徑；（2）.提高材料的電學(xué)和光學(xué)微區(qū)均勻性；（3）.降低單晶的缺陷密度，特別是位錯(cuò)；（4）.GaAs單晶的VGF生長(zhǎng)技術(shù)發(fā)展。 我國(guó)早在1970年就開(kāi)始低噪聲GaAs MESFET的研究開(kāi)發(fā)工作，并于1978年設(shè)計(jì)定型了國(guó)內(nèi)第一個(gè)砷化鎵微波低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管；1974年開(kāi)始研究砷化鎵功率器件，并且在1980年國(guó)內(nèi)首次定型砷化鎵微波功率場(chǎng)效應(yīng)管。此后研究范圍擴(kuò)展到數(shù)字電路，模擬電路和毫米波領(lǐng)域，在微波通信、航天等多方面得到了廣泛應(yīng)用。(五)微帶線技術(shù)在連接方面我們采用微帶線技術(shù)，微帶線是一種應(yīng)用于微波功率晶體管放大電路，十分有效和方便的。主要

26、有：（1）整個(gè)電路無(wú)論其圖形如何復(fù)雜，均可用淀積、照相光刻的方法，精確地復(fù)制在介質(zhì)基片上，將基片固定在作用接地板的金屬基座上就構(gòu)成一完整的電路。其制造成本遠(yuǎn)比同功能的波導(dǎo)和同軸電路低；（2）在多級(jí)電路中可以消除許多接頭，這就消除了許多難以預(yù)計(jì)的接頭反射和接觸損耗，故電路制作的重復(fù)性好，性能優(yōu)良；（3）功率晶體管易于安裝在微帶基片上，尤其是特為微帶電路生產(chǎn)的最新型的微波功率晶體管更加容易安裝；（4）晶體管的引線長(zhǎng)度在微帶傳輸線中容易裁合以獲得阻抗匹配，尤其是特為微帶電路所設(shè)計(jì)的微波晶體管更是如此；（5）采用微帶線能保證有良好的接地平面，并能使元件間的分布電容??；（6）微波功率晶體管的輸入阻抗低，

27、輸出阻抗也低，更適用于微帶線；（7）大多數(shù)微帶電路體積小，重量輕，可靠性高； 為了增大微帶線的功率容量，必須減小它的熱阻，因此應(yīng)當(dāng)選用導(dǎo)熱系數(shù)大的介質(zhì)材料做為微帶電路基片，并且使基片接地面與散熱器有良好的熱接觸。同時(shí)還應(yīng)當(dāng)減小基片厚度，使散熱更好。但是基片厚度不宜過(guò)分的減小。因?yàn)槲Ь€的導(dǎo)體衰減系數(shù)與基片厚度成反比。導(dǎo)體的衰減太大顯然是不允許的。 由于微帶線損耗較大，散熱能力較差，在大功率應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)采用氧化鉑陶瓷做為基片，因?yàn)樗膶?dǎo)熱能力與普通氧化鋁陶瓷的大十倍，必要時(shí)還可以考慮整個(gè)微帶電路強(qiáng)制冷卻。微帶線十分有用和方便，其封裝形式也有其特點(diǎn)：（1）.寄生參量對(duì)微波功率晶體管性能的影響；為了

28、保護(hù)管芯免遭機(jī)械損傷，以及防潮防塵等考慮，晶體管總是要封裝的。封裝不可避免地要引入寄生參量（寄生電感、寄生電容和各種消耗），這些寄生參量對(duì)于微波功率晶體管的性能有重大影響，甚至?xí)茐囊阎瞥傻墓苄镜牧己眯阅?。?）.微波功率晶體管的封裝形式；微波功率晶體管對(duì)管殼有下列特殊要求：良好的散熱性能（小的管殼熱阻）；寄生參量要??；管殼應(yīng)與集電極電絕緣。若發(fā)射極或基極（而不是集電極）與管殼連通，可使發(fā)射極或基極的引線電感大大降低，此外，管殼與集電極電絕緣之后，安裝散熱器也方便。（六）接地方式接地方式的選擇直接影響著管子的使用和效率。放大器的接地方式有發(fā)射極接地、基極接地和集電極接地三種，而通常因集電極接地

29、方式功率增益小，故很少使用。究竟選擇發(fā)射極接地還是基極接地，則要根據(jù)使用頻率、輸出功率和穩(wěn)定度等因素來(lái)決定。（在微波頻段上，還要由管子的結(jié)構(gòu)決定）。一般在滿足決定穩(wěn)定條件（無(wú)論負(fù)載如何，輸入阻抗的實(shí)部一定不為負(fù)值）的頻率范圍內(nèi)，可以證明發(fā)射極接地比基極接地方式用得廣泛。但是在很高頻率時(shí)，發(fā)射極引線電感對(duì)發(fā)射極接地電路要比對(duì)基極接地電路產(chǎn)生更壞的影響。對(duì)于給定的輸出功率和功率增益，采用基極接地方式比采用發(fā)射極接地方式，對(duì)于晶體管的要求更低，因而成本也低。更重要的是基極接地晶體管的功率增益比發(fā)射極接地晶體管的功率增益要高23dB。但是，這種較高的增益在實(shí)際中并不能輕易的取得。計(jì)算機(jī)分析表明，基極接

30、地晶體管功率增益的增加，主要是由于基極擴(kuò)展電阻和基極引線電感的正的再生作用提供的，在這里電感值是相當(dāng)臨界的。如果過(guò)大，器件就不穩(wěn)定。因此在目前一般來(lái)說(shuō)，在高頻大功率應(yīng)用中多采用基極接地方式，在功率較小時(shí)多采用發(fā)射極接地方式。在較高頻率下，接地電路的質(zhì)量對(duì)于放大器的穩(wěn)定工作是很重要的，由于功率晶體管工作時(shí)的輸入或輸出阻抗很低，故接地電路的質(zhì)量問(wèn)題就特別突出。接地電路的電阻要盡可能的低。（這與降低熱阻的要求通常是一致的。）（七）寄生振蕩的消除在微波功率晶體管放大器中，經(jīng)常碰到的問(wèn)題是可能出現(xiàn)寄生振蕩，例如低頻振蕩，參量振蕩或負(fù)阻特性引起的振蕩等等。消除這些寄生振蕩，是放大器穩(wěn)定工作的首要前提。（1

31、） 低頻寄生振蕩 晶體管的增益是隨著頻率的降低以每倍頻程約（35）dB的比例增加。因此，在單級(jí)放大器中，當(dāng)由于某種原因形成低頻諧振電路時(shí)，便可能引起低頻寄生振蕩。原因有（1）由熱反饋效應(yīng)產(chǎn)生的低頻振蕩（2）電源去耦合不良（3）耦合場(chǎng)的外回授（4）晶體管極間電容Cbc的內(nèi)回授。等等。（2） 參量振蕩在微帶功率放大器中，由于晶體管工作于大信號(hào)的非線性狀態(tài)。其參量（如,fT,Cec,及Cbc等）將隨各電級(jí)電壓變化，其中特別是Cbc,如圖所示： 當(dāng)集電極輸出電壓增加時(shí)，它是按非線性規(guī)律減小的。由于Cbc的非線性特性，當(dāng)晶體管工作于輸出特性曲線的臨界線附近時(shí)，若Cbc則集電極回路必呈感性，這時(shí)反映在輸入

32、端就出現(xiàn)一個(gè)負(fù)電阻，于是就有可能產(chǎn)生自激振蕩。這種振蕩是由晶體管的自身的參量變化引起的，故稱(chēng)之為參量振蕩。（3） 高頻振蕩這類(lèi)負(fù)載特性是由晶體管的渡越時(shí)間效應(yīng)和雪崩擊穿效應(yīng)產(chǎn)生的。前者較難克服，后者可通過(guò)適當(dāng)選擇工作點(diǎn)，使晶體管不要工作在大電流高電壓區(qū)內(nèi)。進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路，以防止負(fù)載及電壓變化時(shí)使晶體管處于安全工作區(qū)之外。這些對(duì)放大器的工作有很大的影響，必須予以消除，具體的措施有：（1） 降低射頻扼流圈的Q值；（2） 減少射頻扼流圈的電流；（3） 加裝電容器，使它們對(duì)高頻和低頻分別能起到旁路作用；（4） 減小發(fā)射極引線電感；（5） 屏蔽；（6） 使用時(shí)降低額定功率；（7）

33、接地良好；（8） 防止熱效應(yīng)引起的振蕩；（9） 防止參量振蕩；（八）散熱設(shè)計(jì)散熱器的設(shè)計(jì)是功率晶體管放大器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。散熱器的基本任務(wù)是：根據(jù)傳熱學(xué)的原理，為器件設(shè)計(jì)一個(gè)熱阻，盡可能低的熱流通路，使器件發(fā)出的熱量能通過(guò)它盡快的發(fā)散出去，從而保證器件運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部的結(jié)溫始終保持在允許的結(jié)溫之間。晶體管的結(jié)溫與其可靠性是密切相關(guān)的。如果結(jié)溫超過(guò)一定限度，則晶體管即使不燒毀，其可靠性也將隨結(jié)溫的升高而下降。也就是說(shuō)，當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，晶體管的壽命就要縮短。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，首先要估計(jì)晶體管工作時(shí)可能達(dá)到的結(jié)溫Tj： Tj = PcRT + T其中Pc是晶體管工作時(shí)的耗散功率；T是環(huán)境溫度；RT是

34、晶體管的熱阻?？杀硎緸椋?RT = RTI + RTO （無(wú)散熱器） RT = RTI + RTC + RTO （有散熱器）其中RT是晶體管的內(nèi)熱阻，它無(wú)法在電路設(shè)計(jì)中降低；RTO是管殼的外熱阻；RTC是管殼至散熱器的接觸熱阻；RTO是散熱器的熱阻，簡(jiǎn)稱(chēng)外熱阻。 （九）功率放大器工作狀態(tài)的選擇功率放大器的工作狀態(tài)是要根據(jù)線性度以及效率的要求加以選擇的。甲類(lèi)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是線性好、失真小。較好的噪聲系數(shù)，在1dB壓縮點(diǎn)以下具有幾乎不失真的脈沖響應(yīng)，在不同輸出電平時(shí)的通帶起伏小和在不同輸出電平時(shí)的相位和增益不變。它的缺點(diǎn)是效率不高，較大的熱損耗和尺寸大。甲乙類(lèi)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是輸出功率較大，有較

35、高的效率，尺寸緊湊，線性也比較好，失真小，工作溫度低。因而可靠性也高，用得比較廣泛。但它的不足之處是動(dòng)態(tài)范圍有限，一般從15dB到30dB，交調(diào)失真特性也不夠好，在低頻輸入時(shí)通帶的起伏較大。丙類(lèi)功率放大器的優(yōu)點(diǎn)是效率非常高，尺寸緊湊，輸出功率高，工作溫度比甲乙類(lèi)還低，可靠性較高，在要求失真不嚴(yán)的系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它的缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍非常窄，只能在0dB到6dB范圍內(nèi)變化。如果信號(hào)減小到額定電平以下，丙類(lèi)功率放大器將呈急劇變化的趨勢(shì)。此外，丙類(lèi)功率放大器不能用于調(diào)幅信號(hào)的放大。因此，選用甲乙類(lèi)的功率放大器比較合適，兼顧了線性度及效率的要求。（十）阻抗匹配的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)功放模塊的另一個(gè)關(guān)鍵就是阻抗

36、匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在任何一個(gè)功率放大模塊的設(shè)計(jì)中，錯(cuò)誤的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將使電路不穩(wěn)定，同時(shí)會(huì)使電路效率降低和非線性失真加大。在設(shè)計(jì)功率放大模塊匹配電路時(shí)，匹配電路應(yīng)該同時(shí)滿足匹配、諧波衰減、帶寬、小駐波、線性及實(shí)際尺寸等多項(xiàng)要求。輸出匹配電路主要應(yīng)具備損耗低，諧波抑制度高，改善駐波比，提高輸出功率及改善非線性等功能。輸出匹配電路確定后，功率放大模塊的輸出功率及效率基本確定了，但是它的增益平坦度并不一定滿足指標(biāo)要求。這是需要合理設(shè)計(jì)輸入匹配電路以便使增益平坦度滿足要求。設(shè)計(jì)輸入匹配電路時(shí)，還應(yīng)考慮輸入駐波比不能太大。級(jí)間匹配電路除了與輸入匹配電路一起實(shí)現(xiàn)平坦增益特性外，還應(yīng)具備級(jí)間隔直流功能。 由于

37、功率放大模塊的增益較高，必須采用多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)。這時(shí)要考慮各級(jí)器件的選擇及各級(jí)技術(shù)指標(biāo)的分配。主要考慮效率、線性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)高增益級(jí)聯(lián)功率放大模塊時(shí)，為了提高效率，應(yīng)選用高增益單片，盡可能減少單片數(shù)量。為了保證線性指標(biāo)，需要合理設(shè)計(jì)末級(jí)功放，同時(shí)還需要合理設(shè)計(jì)前級(jí)功放，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能加大相鄰兩級(jí)功放的三階交調(diào)系數(shù)差值。另外，由于輸入信號(hào)與輸出信號(hào)幅度相差很大，輸出信號(hào)只要有一點(diǎn)泄漏到輸入端，放大模塊就很容易自激。為了消除自激，各級(jí)偏置電源間應(yīng)采用去耦電路，輸入輸出接頭應(yīng)該有較好的電磁屏蔽，各級(jí)功率放大模塊也應(yīng)該有較好的電磁屏蔽，從而使輸入與輸出間有較好的隔離。 功放的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，尤其是在要求大功率、小體積的情況下，散熱問(wèn)題一定要妥善解決