功率放大器偏置電路設(shè)計

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(dāng)?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(guān)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(shè)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(shè)計中要注意的。由于放大器自身特性，在電源偏置電路的設(shè)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(shè)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(yīng)），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(fù)阻抗， 它將連接R2 ，從而整個阻抗值都應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)置線寬，一般按照電流是（A）是線寬（mm）的2倍。

當(dāng)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(yīng)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(shè)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(dǎo)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(yīng)用要求。對于某些應(yīng)用，通過控制柵壓，可以改變放大器的射頻性能以適應(yīng)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(guān)。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(guān)電步驟

先關(guān)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(shè)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(biāo)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(guān)，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(dǎo)通壓降隨溫度變化呈負(fù)溫度系數(shù)變化趨勢。通常，當(dāng)溫度升高時，此類二極管的導(dǎo)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(shè)計時，應(yīng)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(shè)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(shè)計中要遵循一定的規(guī)則。偏置電路的設(shè)計是功率放大器設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，選用可靠的偏置電路至關(guān)重要。