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        功率放大器偏置電路設計

        2020-10-14 12:47:23蔣輝
        大眾科學·上旬 2020年6期

        蔣輝

        摘 要:功放電路中偏置電路在特定的工作條件下為功放管提供適當?shù)撵o態(tài)工作點,并抑制功放管參數(shù)的離散性及溫度變化的影響,從而保持恒定的工作特性。還可以調(diào)節(jié)功放的增益,尤其在線性功放電路中可以調(diào)節(jié)功放的線性度。

        關鍵詞:功率放大器;偏置電路;柵極偏置;漏極偏置;溫度補償

        1.前言

        本文介紹了功率放大器偏置電路設計中的實用方法。功率放大器的穩(wěn)定性這些問題主要是由外圍偏置電路引起的, 這是設計中要注意的。由于放大器自身特性,在電源偏置電路的設計中要注意柵極、漏極電壓的時序和溫度補償,是功率放大器設計中的重要部分。

        2.柵極偏置電路

        柵極偏置電路的主要功能如下:

        a)提供恒定的柵極電壓Vgs。

        b)作為柵極電流保護電路(漏極到柵極或柵極到源極);

        c)隔離漏極竄到柵極的信號。

        柵極電阻盡可能近的連接到柵極, 這樣可以更好的防止輻射和自激。柵極偏置電路如圖(1)所示,其中, R2不能連接輸入匹配電路和偏置電路。它連接第一節(jié)微帶線和電容C5。電容C4容值較低,為了阻止在低頻率下的共振(其中包括到底的穿孔感應),不能存儲太多的能量以及在低頻率的情況下有較高的阻抗。這意味著在低頻率的情況下如果柵極有負阻抗, 它將連接R2 ,從而整個阻抗值都應該是正值。

        在功放的偏置電路中,也可以是有電阻串連供電,因為柵極大電流一般是很小的,加電阻對功放對偏置沒有什么影響,還可以更好的改變偏置電源對功放對影響,增加電路的穩(wěn)定性。電阻R2一般取5~12 歐姆。R1可以取大一點,1K 即可。

        3.漏極偏置電路

        漏極偏置電路有以下幾種功能:

        a)維持恒定的漏極電壓;

        b)提供漏極電流最小大于Idsmax;

        c)確保電路在放大器的輸出頻率帶寬內(nèi)穩(wěn)定;

        d)隔離柵極竄到漏極的信號。

        C6 在電路中主要的作用是去耦,最好選用高Q低等效電阻微波電容,尤其是大功率輸出的功放。C6電容加在λ/4短路線的盡頭較好。C7、C8、C9的容值的分別選用1000pF、10nF 和10uF,主要是用于電源濾波。

        除了標準的去耦電容外,并聯(lián)RC串聯(lián)電路到地可以改善放大器的穩(wěn)定性, 第一節(jié)微帶線要承受的漏極電流Ids,這就意味著它的最小寬度受電流限制以及特性阻抗也不能太大, 微帶線的線寬應盡可能的寬, 這樣可以減小偏置電路中的直流電壓的下降。

        然而微帶線的線寬必須和放大器的特性阻抗一致,且要保證微帶線在可能出現(xiàn)的大電流下不會被燒斷,通過式(1)計算承受電流Fc。

        式(1)中,W是線寬(mm ),h是微帶線的厚度(mm ),使Fc保持在一定范圍內(nèi)。也可以通過經(jīng)驗值來設置線寬,一般按照電流是(A)是線寬(mm)的2倍。

        當偏置電路僅僅被用作偏置時,為了確保電路的穩(wěn)定性,它應盡可能近的連接到漏極。直流偏置對主線的影響,對于不同的管子,可利用仿真軟件對偏置電路進行仿真設計。

        4.偏置放大器電源時序控制

        不遵守正確的電源時序會影響器件的穩(wěn)定性。連續(xù)違反時序控制模式會損壞片內(nèi)保護電路并產(chǎn)生長期損害,導致現(xiàn)場操作故障。

        優(yōu)化偏置電平,可以改善射頻放大器的性能,具體情況取決于配置和應用要求。對于某些應用,通過控制柵壓,可以改變放大器的射頻性能以適應不同的現(xiàn)場情況。

        晶體管通常需要電源來為漏極引腳和柵極引腳供電,此靜態(tài)漏極電流與柵極電壓相關。偏置電路的時序控制,首要要確保放大器能正常工作, 其次防止電路的自激和過流現(xiàn)象。

        a)電路加電步驟

        先將Vgs降到最小夾斷電壓, Vgs= Vgs(th);

        慢慢增大Vds到推薦電壓;

        慢慢增大Vgs直到達到漏極推薦靜態(tài)電流ID;

        最后加射頻。

        由于在漏極電壓較低時, 功率器件特別不穩(wěn)定, 所以在增大漏極電壓Vds時,Vgs低到推薦夾斷電壓。

        b) 電路關電步驟

        先關斷射頻;

        減小Vgs到Vgs(th);

        減小Vds= 0V;

        增加Vgs= 0V。

        5.功放管靜態(tài)工作點溫度補償

        由于功放管的靜態(tài)工作點隨溫度變化呈正溫度系數(shù)變化趨勢,使得功率放大器的線性度受到影響,可通過功放管的靜態(tài)工作點的設置來減小對功率放大器的線性度的影響。

        式(2)中Vg為柵極電壓,Vo為三端穩(wěn)壓器的標稱穩(wěn)壓值,Vd為二極管的正向?qū)▔航?。假定Vo與溫度變化無關,則可以得到?Vg=?Vd。?Vd為溫度變化所引起Vd的變化量、?Vg為柵極電壓Vg的變化量。其導通壓降隨溫度變化呈負溫度系數(shù)變化趨勢。通常,當溫度升高時,此類二極管的導通壓降會以約2mV/℃的斜率下降,使得功放管的柵極電壓降低,從而可抵消因溫度上升功放管本身工作電流上升的趨勢,穩(wěn)定了工作點。

        在功放偏置設計時,應將偏置電源穩(wěn)壓后使用,并且要對偏置電源做溫度補償。因為偏置電源的電壓將影響功放的增益、線性,并且會影響了放大器的穩(wěn)定性。放大器自身特性決定外圍偏置電路設計, 偏置電路的優(yōu)劣也直接影響到放大器的性能,所以在偏置電路的設計中要遵循一定的規(guī)則。偏置電路的設計是功率放大器設計的關鍵一環(huán),選用可靠的偏置電路至關重要。

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