功率放大器偏置電路設計

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的靜態工作點，并抑制功放管參數的離散性及溫度變化的影響，從而保持恒定的工作特性。還可以調節功放的增益，尤其在線性功放電路中可以調節功放的線性度。

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穩定;

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RC串聯電路到地可以改善放大器的穩定性， 第一節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。也可以通過經驗值來設置線寬，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定性。連續違反時序控制模式會損壞片內保護電路并產生長期損害，導致現場操作故障。

優化偏置電平，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.功放管靜態工作點溫度補償

由于功放管的靜態工作點隨溫度變化呈正溫度系數變化趨勢，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為三端穩壓器的標稱穩壓值，Vd為二極管的正向導通壓降。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，穩定了工作點。

在功放偏置設計時，應將偏置電源穩壓后使用，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則。偏置電路的設計是功率放大器設計的關鍵一環，選用可靠的偏置電路至關重要。