浅析晶体管放大电路的负载线

2021-12-31 来源:微波射频网 作者:海川 字号:

晶体管放大电路的负载线包括直流负载线和交流负载线,描述了输出端电压、电流与负载之间的关系。大学期间曾经学习过相关知识,本文将与大家重温所学内容,并介绍直流工作点对功率放大器性能的影响。

直流负载线

以场效应管为例,图1给出了典型的晶体管放大电路,直流供电UDD、电阻Rg和Rd构成了晶体管的偏置网络,决定了静态偏置点,RL为电路的负载。ui(t)为输入的交流信号,叠加在UDD提供的栅压上,共同控制晶体管的输出特性,漏源电压Uds也是放大后的交流信号与直流电压的叠加波形。

典型的晶体管放大电路及直流等效电路

图1. 典型的晶体管放大电路及直流等效电路

晶体管可以工作在直流模式,在偏置网络一定的情况下,栅源电压Ugs和漏源电压Uds是不随时间变化的,通常称之为静态工作状态。当Ugs大于阈值电压时,晶体管开始导通,漏极电压的存在将使得漏极电流急剧增大,相当于一个压控电流源,正是基于这一特性,晶体管可以用来设计放大电路。

图1右为等效的直流电路,此时Rd相当于晶体管输出的负载,漏源电压可以表示为

进一步转换为

上式即为直流负载方程,漏极电流与漏源电压呈现为线性的关系,在晶体管的直流输出特性曲线中将得到一条斜率为(-1/Rd)的直线,如图2所示,这就是直流负载线。

决定晶体管输出电流的关键因素之一在于所施加的栅源电压,晶体管导通后,随着栅源电压的增大,漏极电流也将不断增大,对于上述直流偏置网络,漏源电压将逐步减小。因此,直流负载线表面上只是漏极电流和漏源电压的关系,实际上栅源电压是“幕后推手”。

晶体管的直流负载曲线

图2. 晶体管的直流负载曲线

值得一提的是,直流负载方程取决于偏置网络,偏置网络不同,直流负载方程不同,直流负载线也将不同。

比如,实际的射频功放偏置网络很少采用图1的形式,因为漏极电阻Rd会消耗很多功率,限制了效率。更常见的偏置网络是,使用LDO经过RF Choke电感结合电容或者1/4λ传输线结合扇面电容给功放供电,不存在Rd (假设传输线及电感是理想无耗的),无论Id如何变化,Uds始终是恒定的。直流负载线就是一条垂直线,如图2虚线所示。

当设计好偏置网络,栅压和直流负载线就确定了,负载线与输出特性曲线的交点(Ugs; Id, Uds)也就确定了,这就是直流工作点,或者称为静态工作点。直流工作点的选择对于功放的性能至关重要,这一点将在下面介绍。

交流负载线

与直流负载线类似,交流负载线依然描述的是漏极电流与漏源电压之间的关系,但是更多反映的是交流电流与电压之间的关系。为了确定交流负载线,需要对前面提及的晶体管放大电路进行交流等效。因直流电源的内阻很小,对于交流信号可以等效为接地,故等效电路如图3所示。于是,Rd // RL就成为了放大电路的交流负载,记为R’L

晶体管放大电路的交流等效电路

图3. 晶体管放大电路的交流等效电路

上图虽然给出的是交流等效电路,但是在实际工作时,漏极上是需要提供直流的,这意味着漏源电压和漏极电流实际都是交流成分和直流成分的叠加,分别记为Uds(t)和Id(t)。

假设当前偏置网络确定的直流工作点为:(Ugs,Q; Id,Q, Uds,Q),则漏源电压可以表示为

式中,uds(t)为输出交流电压,与交流负载R’L及交流电流id(t)存在如下关系

则Uds(t)可写为

经过变换可得

则漏极电流Id(t)可写为

由上式可知,Id(t)是关于Uds(t)的线性函数,这就是放大电路的交流负载方程,在任意时刻,漏极电流和漏源电压都将满足这一关系。如果在t0时刻满足Uds(t)=Uds,Q,则Ids(t)=Id,Q,这意味着此时交、直流负载线相交于直流工作点。图4同时给出了直流和交流负载线,二者于直流工作点Q处相交,但交流负载线的斜率更大。

晶体管放大电路的交、直流负载线

图4. 晶体管放大电路的交、直流负载线

当给栅极输入交流信号时,交流信号与Ugs,Q叠加后给栅极提供偏置,其中交流部分是随时间动态变化的,根据晶体管的转移特性曲线,Id(t)和Uds(t)也将动态变化。比如,栅压变大,则Id(t)增大,Uds(t)将变小。交流负载线可以用来分析瞬时电流和电压的变化轨迹,并确定输出交流信号的幅度。图5通过图解方式描述了根据转移特性曲线、直流工作点及交流负载线确定输出电压和电流幅度范围的过程。

如前所述,实际偏置网络中并没有Rd,那么图3所示的交流等效负载岂不是等于0,呈现短路状态?

不会的,因为虽然没有Rd,但是RF Choke电感或者1/4λ传输线的存在,将使得向电源看去,在放大器工作频段的阻抗很大,这个阻抗并联在负载上带来的影响很小。

晶体管放大电路的输入、输出信号转换

图5. 晶体管放大电路的输入、输出信号转换

此外,需要说明的是,实际的交流负载线并不是一条直线,而是一个椭圆,这是由于晶体管的负载中含有容性成分,一部分源于晶体管自身的漏源结电容Cds,另一部分源于放大器的输出负载。容性成分可以通过阻抗匹配来抵消,抵消得越多,则交流负载线越趋于一条直线。关于为什么容性负载会形成椭圆形的负载线,后面有时间再给大家介绍。

直流工作点对功放性能的影响

对于功放而言,往往关注三大参数:饱和输出功率,效率和线性度,这三个参数不能同时达到最佳值,而且与直流工作点的选取有着重要的关系。

1. 对饱和输出功率的影响

饱和输出功率是功放的核心参数,也是器件选型时的关键考量参数。直流工作点是如何决定饱和输出功率的呢?

此处考虑A类功率放大器,波形被放大后没有被“截掉”。图6给出了两组直流负载线(黑色实线)及对应的交流负载线(紫色实线),Q1和Q2分别为两个直流工作点,假设最外侧的输出特性曲线处于临界饱和状态,那么交流负载线就确定了输出交流电压和电流的最大范围。其中UQ1和IQ1为工作点Q1对应的最大输出交流电压和电流幅度,UQ2和IQ2为工作点Q2对应的最大输出交流电压和电流幅度。

很明显,当将直流工作点由Q1移至Q2,功放所能输出的饱和输出功率将降低。因此,如果要得到更高的饱和输出功率,只要晶体管可以耐受,直流工作点可以选得更高,且应位于晶体管放大区的中央位置,如果选择A或者B作为直流工作点,都将达不到Q1处的最高饱和输出功率。

直流工作点对饱和输出功率的影响

图6. 直流工作点对饱和输出功率的影响

2. 对效率的影响

下面讨论一下直流工作点对功放效率的影响,此处考虑的是漏极效率。

对于A类功率放大器,当功放达到饱和输出功率时,也实现了当前直流偏置下的最高漏极效率。但是,A类功放的效率理论上最大也只有50%,为了实现更高的效率,可以将直流工作点沿着直流负载线向下选取。如图7所示,如果选择B作为工作点,则在输入交流信号的半个周期内晶体管是截止的,这种功放称为B类功放,通过合适的设计,B类功放的漏极效率理论值可以达到78.5%,而其缺点是线性度较差。

A类功放虽然效率低,但具有较好的线性度,为了兼顾效率和线性度,可以采用AB类功放,三种功放的直流工作点示意图如图7所示。单纯从提高效率的角度看,还可以采用C类功放及开关功放(D/E/F类),本文不再展开介绍。

A类、B类及AB类功放的直流工作点

图7. A类、B类及AB类功放的直流工作点

A类功放即使没有交流信号输入,依然存在直流功耗,这意味着输入的交流信号越小,漏极效率越低。如果存在一种方式能够使得直流工作点随着输入信号的幅度而变化,则可以有效提高效率,这种方式就是无线通信中常用的包络跟踪技术(Envelope Tracking)。

包络跟踪就是指根据输入信号的强弱实时调整漏极电压的大小,以图6为例,当输入信号较强时,选择Q1作为直流工作点,而当输入信号较弱时,选择Q2作为直流工作点,可以有效地降低直流功耗,从而提高漏极效率。

3. 对线性度的影响

现代无线通信系统对于功放的线性度要求较高,尤其是具有高峰均比(PAPR)的通信系统。如果要得到较好的线性度,就要采用A类功放。如何选取合适的直流工作点,以改善功放的线性度呢?

建议将直流工作点置于晶体管线性放大区的中央位置,如图7所示的工作点A,这样既远离饱和区,也远离截止区,不容易导致波形非线性失真。对于晶体管转移特性曲线的非线性跨导,当输入信号较强时,也会引起波形的非线性失真,此时可以通过降低输出功率(即功率回退)来改善功放的线性度。

除此之外,还可以采用数字预失真技术(DPD)改善功放的线性度,具有同时兼顾线性度、输出功率及效率的优势,已在移动通信中得到了广泛的应用。

小结

作为晶体管放大电路设计的基础,对直流和交流负载线的理解至关重要。本文简要地介绍了交直流负载线及其由来,并以图解方式描述了输入、输出信号之间的转换,结合作者平时的理解和积累,文末又介绍了直流工作点对于功放性能的影响,希望对大家有所帮助。

由于作者水平有限,文中难免有纰漏,望多多指正

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