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D类MOSFT在发射机射频功放中的应用

发布时间:2011-09-28

中心议题:

  • D类MOSFET的开关特性
  • D类MOSFET在射频功放中的应用
  • D类MOSFET器件的维护和存储


随着微电子技术的发展,MOS管在电子与通信工程领域的应用越来越广泛。特别是在大功率全固态广播发射机的射频功率放大器中,利用MOS管的开关特性,可使整个射频功率放大器工作在开关状态,从而提高整机效率,改善技术性能,同时使发射机的射频功率放大器处于低电压范围,有利于设备的稳定运行。本文对D类MOS管在广播发射机射频功放电路中的应用进行了探讨。

1 MOSFET的开关特性  
 
MOSFET是金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)的简称,或称为MOS场效应管,它是有别于结型场效应管的绝缘栅型场效应管。绝缘栅场效应管分为两种类型:一种是耗尽型场效应管,一种是增强型场效应管。场效应管一般有三个电极,即栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。若其栅源电压为VGS,则当VGS≤0时,就可能产生漏源电流ID的绝缘栅场效应管,即为耗尽型场效应管。而在VGS>O的情况下才能产生漏源电流ID的绝缘栅场效应管为增强型场效应管。一般使用的射频功率场效应管都是增强型MOS管,因而只需提供正向偏压即可使器件工作。

图1所示是增强型绝缘栅场效应管的结构原理。图1中,衬底与源极相连,令VGS≤0或为很小的正电压,即使VDS为正电压,由于漏极和衬底之间的PN结为反向偏置或绝缘层和衬底界面上感应的少量电子被P型衬底中的大量空穴所中和,故可使得ID=0或ID≈0。当VGS超过开启电压VT时,强电场就会积累较多的电子,因而在衬底的表面感应出一个N型层,称为导电沟道或者反型层。由于感应出的反型层与漏源之间的N区没有PN结势垒,故有良好的接触,这样就产生了ID,即增强型场效应管导电的基本要求是:VGS≥VT。


图1 增强型绝缘栅场效应管的结构原理

图2所示是N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线和表示符号。图2(a)为输出特性曲线族,表明了栅极的控制作用以及不同栅极电压下,漏极电流与漏极电压之间的关系。在非饱和区(I),也称为变阻区,漏极电流ID随VDS的变化近似于线性变化;而在饱和区(Ⅱ),又称为放大区,器件具有放大作用。漏极电流ID几乎不随VDS变化。但当VGS增大时,由于沟道电阻减小,其饱和电流值也相应增大,所以,饱和区为MOSFET的线性放大区;在截止区(Ⅲ),VGS<VT,漏极电流ID=0;在击穿区(Ⅳ),即当VDS增大到足以使漏区与衬底间的PN结引发雪崩击穿时,ID迅速增大。图2(b)为MOSFET的转移特性。图2(c)为其表示符号。


图2  N沟道增强型绝缘栅场效应管的特性曲线和表示符号[page]

实际上,可以将MOS管的漏极D和源极S当作一个受栅极电压控制的开关来使用:当VGS>VT时,漏极D与源极S之间相当于连接了一个小阻值的电阻,这相当于开关闭合;当VGS<VT时,漏极D与源极S之间为反向PN结所隔开,此时相当于开关断开。

由于MOSFET是电压控制器件,具有很高的输入阻抗,因此驱动功率小,而且驱动电路简单。同时,输入电路的功耗可大大减小,有助于控制并实现最大功率。场效应管是多数载流子导电,不存在少数载流子的存储效应,适宜于在环境条件变化比较剧烈的情况下。另外,它还具有较高的开启电压(即阈值电压),因此具有较高的噪声容限和抗干扰能力。MOSFET通常由于具有较宽的安全工作区而不会产生热点和二次击穿。由于该器件有一个零温度系数的工作点,即当栅极电压在某一合适的数值时,ID不受温度变化的影响,因而具有很好的热稳定性。

2 D类MOSFET在射频功放中的应用   

现以美国哈里斯(HARRIS)公司研发的数字化调幅(DIGITAL AMPLITUDE MODULATION)发射机为例,来说明D类MOSFET在射频功放中的应用。

数字调幅就是将控制载波电平和音频调制的模拟信号首先转换成数字信号,再经过编码变成控制射频功放模块开通和关断的控制信号,通过控制相应数目的射频功放模块的开通或者关断数量来实现调幅。DAM发射机取消了传统的高电平音频功放,而且所有的射频功率放大器均工作于D类开关状态,故其整机效率明显高于其它制式的发射机,典型效率可达到86%。图3所示为DX一200型DAM发射机的射频功率放大器模块的原理方框图。


图3  射频功率放大器模块的原理方框图

DX一200型DAM发射机射频功放模块中使用的MOS管型号为IRFP360,它们都工作于D类开关状态,即在射频周期的半个周期饱和导通,相当于开关闭合;而在另半个周期截止,相当于开关断开。每个功放模块共使用八只MOS管,被接成桥式组态。来自调制编码器的信号可用来控制射频功放模块的接通/关断。每两个MOS管组成一个开关。电路有四个由MOS管组成的开关。其中,Q1/Q3与Q6/Q8的射频激励信号相位相同,图3中标示为0°;Q2/Q4和Q5/Q7的射频激励信号同相位,图3中标示为180°。可见,桥式组态的MOS管为交替导通状态,并且其交替频率就是射频激励信号的频率,即发射机的载波频率。

2.1 全桥组态工作原理  
 
图4所示为射频放大器的全桥组态,即四对MOS管用作开关。射频激励信号的相位情况是当射频功放模块接通时,这些开关中只有两个可以组合起来。并且,在激励信号的正半周,标示为0°的MOS管处于正半周,标示为180°的MOS管处于负半周。


图4 射频功放全桥组态的工作原理

在射频周期的负半周,Ql/Q3和Q6/Q8处于截止状态,相当于开关断开;Q2/Q4和QS/Q7则是饱和导通的,相当于开关接通。Q2/Q4和QS/Q7串联导通电源电压为+V,若忽略MOS管的饱和压降,+V将全部降落在合成变压器上。在射频周期的正半周,Q1/Q3和Q6/Q8处于导通状态,Q2/Q4和QS/Q7为截止状态。Ql/Q3和Q6/Q8串联导通电源电压+V,+V全部降落在合成变压器上。由图4可见,合成变压器初级电压方波输出相差180°,说明输出电压的峰峰值为+2V。MOS开关的作用就是有效地将整个电源电压跨接在合成变压器的初级绕组上,在射频激励信号的每半个周期是反相的。作为全桥组态,输出就是两倍电源电压的射频输出。为了防止直流电压通过变压器的绕组通地,应在每部分的射频输出都串联有隔直电容C。
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2.2 半桥组态工作原理   
以Q1/Q3和QS/Q7的工作情况为例,其工作原理如图5所示。


图5  半桥组态工作原理

在射频功放模块的设计中,两个半桥式组态采用单独的电源和射频激励输入,这样可以使每个放大器两个半桥独立地进行工作。如将Q1/Q3源极和QS/Q7的漏极接在一起,射频输出从0V到+V,则可保证当一个全桥组态的射频功放模块在任何一个半桥出现故障时,射频功放模块仍然可以工作。只是射频输出电压减小为全桥组态的一半而已。

在射频激励信号的负半周,MOS管QI/Q3截止,QS/Q7导通,如图5(a)所示。而在射频激励输入信号的正半周,MOS管Q1/Q3导通,QS/Q7截止,如图5(b)所示。Q2/Q4和Q6/Q8的开关情况与此正好相反。跨在功率合成变压器初级两端的输出信号就在半个周期里,在地(约为0V)和正电源间进行一次切换,如图5(c)所示。

2.3 射频功放模块在关断时的射频电流   
由于DX一200型DAM发射机的射频功放模块数为224,在不同的功率等级下所接通的射频功放模块的数量不同,其输出变压器的次级为串联输出,这就决定了关断的射频功放模块必须为在用的或者接通的功放模块提供一条低阻抗导电通路。其工作原理电路如图6所示。

       
图6 低阻抗导电通路工作原理图

因为在用的功放模块产生的射频电流必须流过合成变压器的次级,并在已关断的射频功放模块的初级绕组上感应出射频电压。根据楞次定律,变压器次级电流所产生的磁通总是试图抵消初级电流所产生的磁通,所以,流过关断功放输出变压器次级的电流感应到初级的电压后,一定和原来的输出电压极性相反。在如图6(a)所示,由次级电流感应到初级的电压为左正右负,说明关断的射频功放在导通状态下的变压器初级电压极性是左负右正,与此相对应的导通管为Q2/Q4,截止管为01/Q3,从而形成的低阻抗通路为:与Ql/Q3相并联的反向二极管→旁路电容C1、C3→旁路电容C2、C4→Q2/Q4→隔直电容C。同理,图6(b)所形成的低阻抗通路为:与Q2/Q4相并联的反向二极管→旁路电容C2、C4→旁路电容C1、C3→Q1/Q3。

3 MOSFET器件的维护和存储  
 

图7所示为IRFP360的外型及表示符号。它的特点,一是具有隔离式的中心装配孔,并有重复性的雪崩定额;二是漏源之间并联有反向二极管,其电压变化率定额很大而且驱动电路比较简单,此外,同型号的管子并联也很容易。然而,由于MOS管的栅极输人阻抗较高,容易产生较高的感应电压,从而导致栅极易击穿,所以在维护中应特别注意。


图7  IRFP360的外型及表示符号

一般情况下,应将MOS管存放在防静电包装袋内,或在各极短路的情况下保存。同时对存放库房应注意除尘,保持库房的清洁。在取用和安装过程中,应带好防静电手镯。更换管子时,应将新管的源极(S)接地,并使用防静电烙铁或焊接时拔掉烙铁的电源插头,并快速焊接。

4 结束语   

利用MOS管的开关特性可使射频功率放大器工作于D类开关状态,以便提高整机效率、改善技术指标。希望通过本文的分析,为MOSFET的使用维护带来一些启迪。

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