工作于D類開關狀態(tài)的MOSFT管在發(fā)射機射頻功放中的應用

引言

隨著微電子技術的發(fā)展，MOS管在電子與通信工程領域的應用越來越廣泛。特別是在大功率全固態(tài)廣播發(fā)射機的射頻功率放大器中，利用MOS管的開關特性，可使整個射頻功率放大器工作在開關狀態(tài)，從而提高整機效率，改善技術性能，同時使發(fā)射機的射頻功率放大器處于低電壓范圍，有利于設備的穩(wěn)定運行。本文對D類MOS管在廣播發(fā)射機射頻功放電路中的應用進行了探討。

1 MOSFET的開關特性

MOSFET是金屬氧化物半導體場效應晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)的簡稱，或稱為MOS場效應管，它是有別于結(jié)型場效應管的絕緣柵型場效應管。絕緣柵場效應管分為兩種類型：一種是耗盡型場效應管，一種是增強型場效應管。場效應管一般有三個電極，即柵極(G)、漏極(D)和源極(S)。若其柵源電壓為VGS，則當VGS≤0時，就可能產(chǎn)生漏源電流ID的絕緣柵場效應管，即為耗盡型場效應管。而在VGS>O的情況下才能產(chǎn)生漏源電流ID的絕緣柵場效應管為增強型場效應管。一般使用的射頻功率場效應管都是增強型MOS管，因而只需提供正向偏壓即可使器件工作。

圖1所示是增強型絕緣柵場效應管的結(jié)構(gòu)原理。圖1中，襯底與源極相連，令VGS≤0或為很小的正電壓，即使VDS為正電壓，由于漏極和襯底之間的PN結(jié)為反向偏置或絕緣層和襯底界面上感應的少量電子被P型襯底中的大量空穴所中和，故可使得ID=0或ID≈0。當VGS超過開啟電壓VT時，強電場就會積累較多的電子，因而在襯底的表面感應出一個N型層，稱為導電溝道或者反型層。由于感應出的反型層與漏源之間的N區(qū)沒有PN結(jié)勢壘，故有良好的接觸，這樣就產(chǎn)生了ID，即增強型場效應管導電的基本要求是：VGS≥VT。

圖2所示是N溝道增強型絕緣柵場效應管的特性曲線和表示符號。圖2(a)為輸出特性曲線族，表明了柵極的控制作用以及不同柵極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關系。在非飽和區(qū)(I)，也稱為變阻區(qū)，漏極電流ID隨VDS的變化近似于線性變化；而在飽和區(qū)(Ⅱ)，又稱為放大區(qū)，器件具有放大作用。漏極電流ID幾乎不隨VDS變化。但當VGS增大時，由于溝道電阻減小，其飽和電流值也相應增大，所以，飽和區(qū)為MOSFET的線性放大區(qū)；在截止區(qū)(Ⅲ)，VGS

實際上，可以將MOS管的漏極D和源極S當作一個受柵極電壓控制的開關來使用：當VGS>VT時，漏極D與源極S之間相當于連接了一個小阻值的電阻，這相當于開關閉合；當VGS

由于MOSFET是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動功率小，而且驅(qū)動電路簡單。同時，輸入電路的功耗可大大減小，有助于控制并實現(xiàn)最大功率。場效應管是多數(shù)載流子導電，不存在少數(shù)載流子的存儲效應，適宜于在環(huán)境條件變化比較劇烈的情況下。另外，它還具有較高的開啟電壓(即閾值電壓)，因此具有較高的噪聲容限和抗干擾能力。MOSFET通常由于具有較寬的安全工作區(qū)而不會產(chǎn)生熱點和二次擊穿。由于該器件有一個零溫度系數(shù)的工作點，即當柵極電壓在某一合適的數(shù)值時，ID不受溫度變化的影響，因而具有很好的熱穩(wěn)定性。

2 D類MOSFET在射頻功放中的應用

現(xiàn)以美國哈里斯(HARRIS)公司研發(fā)的數(shù)字化調(diào)幅(DIGITAL AMPLITUDE MODULATION)發(fā)射機為例，來說明D類MOSFET在射頻功放中的應用。

數(shù)字調(diào)幅就是將控制載波電平和音頻調(diào)制的模擬信號首先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再經(jīng)過編碼變成控制射頻功放模塊開通和關斷的控制信號，通過控制相應數(shù)目的射頻功放模塊的開通或者關斷數(shù)量來實現(xiàn)調(diào)幅。DAM發(fā)射機取消了傳統(tǒng)的高電平音頻功放，而且所有的射頻功率放大器均工作于D類開關狀態(tài)，故其整機效率明顯高于其它制式的發(fā)射機，典型效率可達到86％。圖3所示為DX一200型DAM發(fā)射機的射頻功率放大器模塊的原理方框圖。

DX一200型DAM發(fā)射機射頻功放模塊中使用的MOS管型號為IRFP360，它們都工作于D類開關狀態(tài)，即在射頻周期的半個周期飽和導通，相當于開關閉合；而在另半個周期截止，相當于開關斷開。每個功放模塊共使用八只MOS管，被接成橋式組態(tài)。來自調(diào)制編碼器的信號可用來控制射頻功放模塊的接通／關斷。每兩個MOS管組成一個開關。電路*有四個由MOS管組成的開關。其中，Q1／Q3與Q6／Q8的射頻激勵信號相位相同，圖3中標示為0°；Q2／Q4和Q5／Q7的射頻激勵信號同相位，圖3中標示為180°?？梢?，橋式組態(tài)的MOS管為交替導通狀態(tài)，并且其交替頻率就是射頻激勵信號的頻率，即發(fā)射機的載波頻率。

2．1 全橋組態(tài)工作原理

圖4所示為射頻放大器的全橋組態(tài)，即四對MOS管用作開關。射頻激勵信號的相位情況是當射頻功放模塊接通時，這些開關中只有兩個可以組合起來。并且，在激勵信號的正半周，標示為0°的MOS管處于正半周，標示為180°的MOS管處于負半周。

在射頻周期的負半周，Ql／Q3和Q6／Q8處于截止狀態(tài)，相當于開關斷開；Q2／Q4和QS／Q7則是飽和導通的，相當于開關接通。Q2／Q4和QS／Q7串聯(lián)導通電源電壓為+V，若忽略MOS管的飽和壓降，+V將全部降落在合成變壓器上。在射頻周期的正半周，Q1／Q3和Q6／Q8處于導通狀態(tài)，Q2／Q4和QS／Q7為截止狀態(tài)。Ql／Q3和Q6／Q8串聯(lián)導通電源電壓+V，+V全部降落在合成變壓器上。由圖4可見，合成變壓器初級電壓方波輸出相差180°，說明輸出電壓的峰峰值為+2V。MOS開關的作用就是有效地將整個電源電壓跨接在合成變壓器的初級繞組上，在射頻激勵信號的每半個周期是反相的。作為全橋組態(tài)，輸出就是兩倍電源電壓的射頻輸出。為了防止直流電壓通過變壓器的繞組通地，應在每部分的射頻輸出都串聯(lián)有隔直電容C。

2．2 半橋組態(tài)工作原理

以Q1／Q3和QS／Q7的工作情況為例，其工作原理如圖5所示。

在射頻功放模塊的設計中，兩個半橋式組態(tài)采用單獨的電源和射頻激勵輸入，這樣可以使每個放大器兩個半橋獨立地進行工作。如將Q1／Q3源極和QS／Q7的漏極接在一起，射頻輸出從0V到+V，則可保證當一個全橋組態(tài)的射頻功放模塊在任何一個半橋出現(xiàn)故障時，射頻功放模塊仍然可以工作。只是射頻輸出電壓減小為全橋組態(tài)的一半而已。

在射頻激勵信號的負半周，MOS管QI／Q3截止，QS／Q7導通，如圖5(a)所示。而在射頻激勵輸入信號的正半周，MOS管Q1／Q3導通，QS／Q7截止，如圖5(b)所示。Q2／Q4和Q6／Q8的開關情況與此正好相反。跨在功率合成變壓器初級兩端的輸出信號就在半個周期里，在地(約為0V)和正電源間進行一次切換，如圖5(c)所示。

2．3 射頻功放模塊在關斷時的射頻電流

由于DX一200型DAM發(fā)射機的射頻功放模塊數(shù)為224，在不同的功率等級下所接通的射頻功放模塊的數(shù)量不同，其輸出變壓器的次級為串聯(lián)輸出，這就決定了關斷的射頻功放模塊必須為在用的或者接通的功放模塊提供一條低阻抗導電通路。其工作原理電路如圖6所示。

因為在用的功放模塊產(chǎn)生的射頻電流必須流過合成變壓器的次級，并在已關斷的射頻功放模塊的初級繞組上感應出射頻電壓。根據(jù)楞次定律，變壓器次級電流所產(chǎn)生的磁通總是試圖抵消初級電流所產(chǎn)生的磁通，所以，流過關斷功放輸出變壓器次級的電流感應到初級的電壓后，一定和原來的輸出電壓極性相反。在如圖6(a)所示，由次級電流感應到初級的電壓為左正右負，說明關斷的射頻功放在導通狀態(tài)下的變壓器初級電壓極性是左負右正，與此相對應的導通管為Q2／Q4，截止管為01／Q3，從而形成的低阻抗通路為：與Ql／Q3相并聯(lián)的反向二極管→旁路電容C1、C3→旁路電容C2、C4→Q2／Q4→隔直電容C。同理，圖6(b)所形成的低阻抗通路為：與Q2／Q4相并聯(lián)的反向二極管→旁路電容C2、C4→旁路電容C1、C3→Q1／Q3。

3 MOSFET器件的維護和存儲

圖7所示為IRFP360的外型及表示符號。它的特點，一是具有隔離式的中心裝配孔，并有重復性的雪崩定額；二是漏源之間并聯(lián)有反向二極管，其電壓變化率定額很大而且驅(qū)動電路比較簡單，此外，同型號的管子并聯(lián)也很容易。然而，由于MOS管的柵極輸人阻抗較高，容易產(chǎn)生較高的感應電壓，從而導致柵極易擊穿，所以在維護中應特別注意。

一般情況下，應將MOS管存放在防靜電包裝袋內(nèi)，或在各極短路的情況下保存。同時對存放庫房應注意除塵，保持庫房的清潔。在取用和安裝過程中，應帶好防靜電手鐲。更換管子時，應將新管的源極(S)接地，并使用防靜電烙鐵或焊接時拔掉烙鐵的電源插頭，并快速焊接。

4 結(jié)束語

利用MOS管的開關特性可使射頻功率放大器工作于D類開關狀態(tài)，以便提高整機效率、改善技術指標。希望通過本文的分析，為MOSFET的使用維護帶來一些啟迪。