功率放大器

固态射频功率放大器技术及分类

  放大器是用来以更大的功率、更大的电流,更大的电压再现信号的部件。在信号处理过程中不可或缺的放大器,既可以做成用在助听器里的微晶片,也可以做成像多层建筑那么大以便向水下潜艇或外层空间传输无线电信号。

  在射频和微波频率上产生足够的功率,在无线通信、雷达和雷达干扰,医疗功率发射机和高能成像系统等领域都需要,每种应用领域都有它对频率、带宽、负载、功率、效率和成本的独特要求。

  射频和微波功率可以利用不同的技术和不同的器件来产生。本文着重介绍在EMC应用中普遍使用的固态射频功率放大器技术,这种固态放大器的频率可以达到6GHz甚至更高,采用了A类,AB类、B类或C类放大器的拓扑结构。

  随着半导体技术的不断进步,可用于RF功率放大器的器件和种类越来越多。各种封装器件被普遍采用,图1显示了一个典型的盖子被移除的晶体管。这是一个最大功率为60W的采用了 GaAs FET的平衡微波晶体管,适合推挽式的AB类放大器使用。

  这款晶体管放大器可以提供EMC领域的基础标准IEC61000-4-3和IEC61000-4-6所强调的很好的线所示。

  这个晶体管可以在工作频率范围内提供所需的功率,它的输出功率与频率的关系如图3所示。

  在用于EMC领域的功率放大器中会用到不同种类的晶体管,下面对典型的晶体管及其工作特性进行简单介绍,由于不同种类的半导体材料具有不同的特性,功率放大器的设计者需要根据实际需求进行选择和设计。在射频微波功率放大器中采用的半导体材料主要包括以下几种。

  双极性结型晶体管(bipolar junction transistor, BJT)就是我们通常说的三极管,是一种具有三个端子的电子器件,由三部分掺杂程度不同的半导体制成,晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。

  这种晶体管的工作,同时涉及电子和空穴两种载流子的流动,因此它被称为双极性的,所以也称双极性载流子晶体管。常见的有锗晶体管和硅晶体管,可采用电流控制,在一定范围内,双极性晶体管具有近似线性的特征,这个范围叫做“放大区”,集电极电流近似等于基极电流的N倍。双极性晶体管是一种较为复杂的非线性器件,如果偏置电压分配不当,将使其输出信号失真,即使工作在特定范围,其电流放大倍数也受到包括温度在内的因素影响。双极性晶体管的最大集电极耗散功率是器件在一定温度与散热条件下能正常工作的最大功率,如果实际功率大于这一数值,晶体管的温度将超出最大许可值,使器件性能下降,甚至造成物理损坏。可通过高达28伏电源供电工作,工作频率可达几个GHz。为了防止由于热击穿导致的突发性故障,晶体管的偏置电压必须要仔细设计,因为热击穿一旦被触发,整个晶体管都将被立即毁坏。

  因此,采用这种晶体管技术的放大器必须具有保护电路以防止这种热击穿情况发生。

  MOSFET场效应管属于单极性晶体管,它的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。金属氧化物半导体场效应管依照其沟道极性的不同,可分为电子占多数的N沟道型与空穴占多数的P沟道型,通常被称为N型金氧半场效晶体管(NMOSFET)与P型金氧半场效晶体管(PMOSFET),没有BJT的一些致命缺点,如热破坏(thermal runaway)。

  为了适合大功率运行,70年代末研制出了具有垂直沟道的绝缘栅型场效应管,即VMOS管,其全称为V型槽MOS场效应管,它是继MOSFET之后新发展起来的高效功率器件,具有耐压高,工作电流大,输出功率高等优良特性。垂直MOS场效应晶体管(VMOSFET)的沟道长度是由外延层的厚度来控制的,因此适合于MOS器件的短沟道化,从而提高器件的高频性能和工作速度。VMOS管可工作在VHF和UHF频段,也就是30MHz到3GHz。封装好的VMOS器件能够在UHF频段提供高达1kW的功率,在VHF频段提供几百瓦的功率,可由12V, 28V或50V电源供电,有些VMOS器件可以100V以上的供电电压工作。

  这是为了减短沟道长度的一种横向导电MOSFET,通过两次扩散而制作的器件称为LDMOS,在高压功率集成电路中常采用高压LDMOS满足耐高压、实现功率控制等方面的要求,常用于射频功率电路。

  与晶体管相比,LDMOS在关键的器件特性方面,如增益、线性度、散热性能等方面优势很明显,由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS能经受住高于双极型晶体管的驻波比,能在较高的反射功率下运行而不被破坏;它较能承受输入信号的过激励,具有较高的瞬时峰值功率。LDMOS增益曲线较平滑并且允许多载波射频信号放大且失真较小。LDMOS管有一个低且无变化的互调电平到饱和区,不像双极型晶体管那样互调电平高且随着功率电平的增加而变化,这种主要特性因此允许LDMOS晶体管执行高于双极型晶体管的功率,且线性较好。LDMOS晶体管具有较好的温度特性温度系数是负数,因此可以防止热耗散的影响。

  由于以上这些特点,LDMOS特别适用于UHF和较低的频率,晶体管的源极与衬底底部相连并直接接地,消除了产生负反馈和降低增益的键合线的电感的影响,因此是一个非常稳定的放大器。

  LDMOS具有的高击穿电压和与其它器件相比的较低的成本使得LDMOS成为

  在2.7 GHz输出功率超过100W的LDMOS器件已经存在,半导体制造商正在开发频率范围更高的,可工作在3.5 GHz及以上的高功率LDMOS器件。

  砷化镓(gallium arsenide),化学式 GaAs,是一种重要的半导体材料。属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体,具有高电子迁移率(是硅的5到6倍),宽的禁带宽度1.4eV(硅是1.1eV),噪声低等特点,GaAs比同样的Si元件更适合工作在高频高功率的场合。因为这些特性,GaAs器件被应用在无线通信、卫星通讯、微波通信、雷达系统等领域,能够在更高的频率下工作,高达Ku波段。

  通常由12V电源供电,由于电源电压较低,使得器件阻抗较低,因此使得宽带功率放大器的设计变得比较困难。GaAsMESFET是电磁兼容微波功率放大器设计的常用选择,在80MHz到6GHz的频率范围内的放大器中被广泛采用。

  是对高电子迁移率晶体管(HEMT)的一种改进结构,也称为赝调制掺杂异质结场效应晶体管(PMODFET),具有更高的电子面密度(约高2倍);同时,这里的电子迁移率也较高(比GaAs中的高9 %),因此PHEMT的性能更加优越。PHEMT具有双异质结的结构,这不仅提高了器件阈值电压的温度稳定性,而且也改善了器件的输出伏安特性,使得器件具有更大的输出电阻、更高的跨导、更大的电流处理能力以及更高的工作频率、更低的噪声等。采用这种材料可以实现频率达40GHz,功率达几W的功率放大器。

  GaAs和Si基半导体技术相比,氮化镓集更高功率、更高效率和更宽带宽的特性于一身,能够实现比GaAsMESFET器件高10倍的功率密度,击穿电压达300伏,可工作在更高的工作电压,大大简化了设计宽带高功率放大器的难度。目前氮化镓(GaN)HEMT器件的成本是LDMOS的5倍左右,已经开始普遍应用在EMC领域的80MHz到6GHz的功率放大器中。

  放大器的分类放大器有不同种的分类方法,习惯上基于放大器件在一个完整的信号摆动周期中工作的时间量,也就是导电角的不同进行分类,通过对放大器件配置不同的偏置条件,就可以使放大器工作在不同的状态。在EMC领域,固态放大器中最常用到的偏置方法是A类,AB类和C类。

  A类放大器的有源器件在输入正弦信号的整个周期内都导通,普遍认为,A类和线性放大器是同义词,输出信号是对输入信号的线性放大,在无线通信应用领域必须要考虑到针对复杂调制信号时的情况。在EMC应用领域,输入信号

  不管是否有射频输入信号存在,A类放大器的偏置设置使得晶体管的静态工作点位于器件电流的中心位置,以便能保证它工作在一个线性工作区,要具有足够的电压范围以便随着整个输入信号幅度的变化在不被剪裁或压缩的情况下复制它。A类放大器的优点:

  类放大器在讨论AB类放大器之前,让我们简单地说一说B类放大器。B类放大器的晶体管偏置使得器件仅在输入信号的半个周期内导通,在另半个周期截止,为了复现整个周期的信号,可采用双管B类推挽电路,如图所示。B类放大器的偏置设置使得当在没有输入信号的情况下器件的输出电流为零,每个器件只在特定的信号半周期内工作,因此,B类放大器具有高的效率,理论上可以达到78.5%。但由于两个管子交替着开启关闭引起的交越失真使得线性度不好。这种交越失真的存在使它不适合商用电磁兼容标准的应用。

  AB类放大器试图使得工作效率与B类放大器接近,而线性度与A类放大器接近。通过调整对偏置电压的设置,使得AB类放大器中的每个管子都可以像B类放大器一样分别在输入信号的半个周期内导通,但在两个半周期中每个管子都会有同时导通的一个很小的区域,这就避免了两个管子同时关闭的区间,结果是,当来自两个器件的波形进行组合时,交叉区域导致的交越失真被大大减少或完全消除。通过对静态工作点的精确设置,AB类放大器可以确保其谐波/失真性能

  足够满足EMC领域的需求,也就是它的线性度能满足商业电磁兼容测试标准IEC61000-4-3和IEC61000-4-6的需求。

  C类放大器的晶体管偏置设置使得器件仅在小于输入信号的半个周期内导通,在没有输入信号时不消耗电源电流,因此效率很高,可高达90%左右。

  C类放大器相当于工作在饱和状态而不是线性区,也就是输入如果是正弦信号,输出则是方波信号,

  属于非线性功率放大器,适合放大恒定包络的信号,输入信号通常是脉冲串类的信号。

  通过以上介绍可以看出,作为射频微波功率放大器采用的半导体材料,有许多种类,每种都有其各自的特点和适用的功率和频率范围,随着半导体技术的不断发展,使得更高频率和更高功率的功放的实现成为可能并且越来越容易实现。

  AMETEK旗下拥有三个著名品牌的功放产品,分别是TESEQ,MILMEGA和IFI,如图7所示。既有固态类功放,也有适合于高频大功率应用的TWT功放。

  作为这些不同频段不同功率的固态类射频微波功放产品,采用了以上所述的不同类型的半导体材料制成的晶体管,具有A类,AB类以及C类不同种功率放大器。这些功放的内部都由若干个部分组成,主要包括:输入驱动模块,信号分离模块,功率放大器模块,功率合成模块,定向耦合器,功率监测模块,保护电路,电源供电模块,显示和控制单元等,如图8所示。

  为了便于装配,调试,升级,维修,AMETEK的功放在业界率先采用了模块化的设计结构,内部模块及各种走线:AMETEK固态射频功放的模块化结构

  AMETEK的功放产品覆盖的频率范围从4KHz到45GHz,如图10所示。