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1、第二章 高频功率放大器第一节 概 述在调频广播发射机中，高频功率放大器主要是用来放大由调频激励器送出的射频已调波信号。小功率的已调波信号经过一系列的放大和功率合成后。以达到额定的高频功率后，经由馈线送到天线上发射出去。目前所使用的调频广播发射机的高频功率放大器，在大功率的金属氧化物半导体场效应管没有面世以前，多采用电子管作为高频功放的电子器件，就是所谓的电子管广播发射机。而晶体管用于高频功放的功率放大器件只是在近年来才广泛使用，到目前为止，场效应管已替代晶体管作为全固态调频广播发射机的功率放大器件。高频功率放大器主要由场效应管功放模块、分配器和合成器、低通滤波器和监测单元所组成。而场效应管功放
2、模块由输入匹配回路、功放管和输出匹配回路组成，其输入、输出匹配回路大多采用半集总半分布式回路，随着科技的不断发展，大功率的场效应晶体管的不断更新换代，为我们研制生产大功率等级的全固态调频广播发射机提供了便利的条件。作为功率器件的晶体管与电子管相比，它具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点，因此它一出现就显示了很强的生命力，在短时间内获得了迅速的发展。因此应用大功率场效应管的全固态调频广播发射机已逐渐地取代了电子管功放的调频广播发射机，为广播通讯的发展揭开了新的篇章。全固态调频广播发射机的大功率 MOSFET 管，目前使用较多的是飞利浦公司生产的BLF177、BLF278 和摩托罗拉公司生产的
3、 MRF151G 等。BLF177 的最大输出功率为150W，而 BLF278 和 MRF151G 的最大输出功率为 300W，随着功率合成技术的不断发展，更高功率等级的调频广播发射机已成现实。但无论是使用电子管还是晶体管的高频功率放大器，其主要性能指标都是指的功率增益、效率、带宽和谐波抑制度。由于这几项指标不容易兼顾，所以在设计高频功率放大器时，根据工作的类型不同等特点，重点的保证其中一些指标，同时兼顾另外一些指标，如调频激励器的功率放大器是以输出功率和带宽为主要指标，而发射机的末级功率放大器则以效率、功率增益和谐波抑制度为主要指标。我们已经知道，放大器可以按照电流通角的不同，分为甲、乙、丙
4、类工作状态，甲类放大器的电流通角为 360，适用于小信号低功率放大。乙类放大器的电流通角约等于 180，丙类放大器的电流通角则小于 180，乙类和丙类都适用于大功率工作，但丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高的，所以高频功率放大器大多工作于丙类，但丙类放大器的电流波形失真太大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大，而调谐回路具有滤波能力，回路的电流与电压仍然极近于正弦波，失真很小。例如 1kW 调频广播发射机的末级功放中的 300W 功放模块，就是采用双推挽功率金属氧化物半导体场效应管 BLF278 作为功放管。当它工作于丙类时，其输出功率为 300W，功率增益为 18dB，
5、效率达到 75以上，4 路 300W 功放模块经功率合成后输出大于 1kW。由于调频广播的工作频段为 87108MHz，高频功率放大器的二、三次谐波均落入电视广播的频段，为了不造成对电视接收的干扰，在涉及功率放大器时除提高谐波的抑制度外，还在其功放的输出端加有抑制谐波用的高性能低通滤波器，以满足整机对谐波的要求。第二节 高频功率放大器一、大功率场效应晶体管大功率场效应晶体管是近年发展起来的新型半导体功率器件，这类功率管大多采用金属氧化物半导体场效应晶体管（简称 MOSFET）作为功率器件，目前这类功率器件还在不断的向前发展，最新面世的横向扩散金属氧化物半导体场效应晶体管（简称LDMOSFET）
6、 ，它在输出功率、效率及高驻波比工作上比 MOSFET 优势更加明显，是以后功率器件发展的趋势所在。作为功率器件的场效应晶体管与双极性晶体管相比，具有以下优点：（1）当栅源电压固定时，MOSFET 的漏极电流温度系数是负的（由于沟道中载流子迁移率随温度升高而下降） ，也就是说当其他条件不变的情况下，该管子的输出功率随温度的升高而下降，使 MOSFET 从原理上消除了热不稳定性二次击穿的问题，另一方面使MOSFET 可以采用多级并联的结构以获得很大的功率输出。（2）在短沟道 MOSFET 中，载流子以饱和漂移速度通过全部沟道长度时，MOSFET的跨导是不随栅源电压变化的恒定值，可以获得线性功率放
7、大。（3）MOSFET 输入阻抗高，是电压控制器件。这使输入电路的功耗大大减小，有助于控制并实现最大输出功率。（4）MOSFET 是功率开关器件，具有较快的开关速度。（5）目前，MOSFET 功率器件的结温较高，总耗散功率大，漏源工作电压可高达100V 以上，这对于大功率状态工作的管子尤为有利。金属氧化物半导体场效应管按工作方式分有增强型和耗尽型两类，而每类又分为 N 沟道和 P 沟道，N 沟道的场效应管的衬底为 P 型材料，增强型的 MOSFET 的栅偏压为正，耗尽型的栅偏压为负。在全固态的调频广播发射机中，其高频功率放大器的功放管多采用的是 N 沟道增强型的 VMOSFET（具有 V 形槽
8、的 MOSFET） 。其最大特点是利用严格控制扩散结深的方法来控制沟道长度，以提高它的高频特性。由于 VMOSFET 的沟道短，栅漏间的电容较小，其工作频率可达到 20GHz。最近几年又新推出的适合数字功率发射的 LD-MOSFET 技术的场效应管（横向扩散金属氧化物场效应管） ，输出功率更大，对负载的适配能力更强。也是今后发展的主流趋势，目前已有产品面世。（一）MOSFET 的基本工作原理N 沟道增强型 MOSFET 在工作时，其栅源电压 VGS 和漏源电压 VDS 均为正向电压，如图 2-1 所示。图 2-1 N 沟道增强型 MOSFET 工作原理当栅源电压 VGS0 时(或0 时) ，虽
9、然漏源电压 VDS 为正，但因两个 N 型区之间有 P型衬底相隔，电流不能流通，故漏极电流 ID0，MOSFET 处于截止状态。当栅源电压 VGS0 时，相当于 VGS 加在了以 SiO2 为介质，以栅极和 P 型衬底为两级板的电容器，在介质中产生一个由栅极指向 P 型衬底的电场。该电场排斥衬底中的空穴而吸引电子，在 VGS 较小时被吸引到衬底表面的电子数很少，并被衬底表面的大量空穴复合掉，在表面层形成截流子的耗尽层，无法形成导电沟道。但当 VGS 增加到一定程度，比如VGSV t 时，被吸引到表面层上的电子数增多，形成很薄的 N 型沟道，通常称为“反型层” ，而“反型层”实际构成了漏、源极间
10、的导电沟道。这时栅源电压 Vt 为 MOSFET 的开启电压，加上 VDS 后就会产生漏极电流 ID，且 VGS 越大，I D 也就越大，实现了 VGS 对 ID 的控制作用。（二）MOSFET 的特性曲线N 沟道增强型 MOSFET 通常采用共源连接方式，其源极与衬底连接并接地，电路如图2-2(a)所示。与之相对应的输出特性曲线如图 2-2(b)所示。输出特性曲线上所划分的 3 个工作区，分别是：可调电阻区；饱和区；雪崩区。在源极与衬底相连时各工作区的特点如下：可调电阻区：漏电流 ID 随 VDS 的变化近似于线性变化，所以又称为线性区。饱和区：漏电流 ID 几乎不随 VDS 变化，但当 V
11、GS 增大时，由于沟道电阻减小，其饱和电流值也相应增加，所以饱和区为 MOSFET 的线性放大区。雪崩区：又称击穿区。当 VDS 大于某一电压时，漏极与衬底的 PN 结发生反向击穿，ID 就急剧增加，特性曲线进入雪崩区。这时的漏极电流无须经过沟道区，而直接由漏极进入衬底，这个电压称为击穿电压，它随着 VGS 的变化而变，所以在设计和调整放大器时，应避免工作在击穿区。图 2-2 N 沟道增强型 MOSFET 电路与特性曲线（三）VMOSFET 的结构及特点：1、结构图 2-3 为其结构示意图。将高掺杂的 N 型硅（N ）衬底作为漏极 D，在其外延上生长一层低掺杂的 N 型硅（N ） ，通过扩散在
12、外层上制作一层低掺杂的 P 型硅（P ） ，然后再沿垂直方向穿过 N 区和 P 区蚀刻出一个 V 型槽，最后在整个表面上生长出氧化层（SiO 2） ，并在 V 型槽部分覆盖一层金属作为栅极 G，从 N 区和 P 型衬底（P ）上引出源极 S，则构成一个 VMOSFET。图 2-3 V-MOSFET 结构示意图2、特点VMOSFET 从其结构上看，它的栅极是一个 V 型槽，生成 2 个沟道，可提供较大的电流密度，并且漏极的散热面积大，在采取有效的散热情况下，适合于大功率工作的状态。其特点如下：（1） 输入、输出阻抗高，容易实现宽带匹配。（2） 功率增益高，输出功率大，且驱动较小，容易实现功率控制
13、。（3） 漏源击穿电压高，对安全可靠工作有利。（4） 正向跨导较大，且跨导的线性好。（5） 通频带宽，高频特性好。（6） 具有负温度参数，温度稳定性好。（7） 低的导通电阻 Ron，既能提高最大输出功率，又能保持较低的耗散功率。（8） 输入、输出间的反馈电容小，线路便于设计和调整。目前 VMOSFET 已在高频功率放大、音频功放、开关电源及高速开关、直流转换等方面得到广泛的应用。（四）BLF177 和 BLF278 技术参数1、BLF177 外形及参数图 2-4 BLF177 外形图和电路符号图 2-4 所示是 BLF177 的外形和电路符号，其中 1 是漏极，3 是栅极，2 和 4 是源极，
14、属 N 沟道增强型 VMOSFET 功率管，有以下特点：（1） 功率增益高。（2） 互调失真低。（3） 功率输出便于调整。（4） 温度稳定性好。（5） 抗负载失配能力强。其他的主要参数包括：漏源击穿电压 VDSS（最小 110V） ，栅源门限电压VGSth（ 24.5V ） ，导通时的漏源间直流电阻 RDSon（0.2 ） ，正向跨导 gfs 和极间电容等，对设计高频功率放大器时是极为重要的参数，这里不再详细说明。表 2-1 BLF177 的 RF 性能数据 表 2-2 BLF177 的极限参数 2、BLF278 外形及参数图 2-5 BLF278 外形图和电路符号图 2-5 所示是 BLF2
15、78 的外形和电路符号，其中 1、2 为漏极 D1、D 2，3、4 为栅极G1、G 2，5 为源极 S。这是一个双推挽 N 沟道增强型的 VMOSFET 功放管。把特性完全相同的两个管芯封装在同一个底座上，专门用作推挽功率放大，提高输出功率，两个管子的源极是通过底座连接在一起的。广泛地应用于 VHF 频段的全固态广播电视发射设备中。其特点如下：（1） 它为电压控制器件，功率增益高。（2） 具有负的温度系数，温度稳定性好。（3） 栅漏极的反馈电容小，设计和调整方便。（4） 输入、输出阻抗高，容易实现宽带匹配。（5） 效率高达 80。（6） 镀金层的电极，保证安全可靠。表 2-3 BLF278 的
16、 RF 性能数据（推挽共源连接，25条件下）表 2-4 BLF278 的极限参数表 2-5 BLF278 的特性参数（五）大功率 MOSFET 的使用上述所介绍的两种 MOSFET 器件的特点都是热稳定性好，抗负载失配能力强，为电压控制器件，以栅极电压 VGS 控制漏极电流，正向跨导大，控制能力较强。由于输入阻抗高，栅极的电流很小，所以要求激励功率小，功率增益高，但也由于输入阻抗很高，使得栅极感应的电荷不易泄放，由此而产生较高的感应电压，造成栅极的绝缘层容易被击穿而损坏，所以在使用和保存上述器件时应特别注意。1、存放和使用由于 MOSFET 器件的栅极极易受静电而损坏，是属于静电敏感器件。所以应存放在防静电的包装盒内，或在各极短路的情况下保存。在取用和安装过程中，需要采取防静电措施。操作时操作人员必须带上手套和静电泄放手腕，没有条件的情况下，可
