射頻功率放大器有不同類型,簡化之,放大器的電路可以由以下幾個部分組成:晶體管、偏置及穩定電路、輸入輸出匹配電路。
1、晶體管
晶體管有很多種,包括當前還有多種結構的晶體管被發明出來。本質上,晶體管的工作都是表現為一個受控的電流源或電壓源,其工作機制是將不含內容的直流的能量轉化為“有用的”輸出。
直流能量乃是從外界獲得,晶體管加以消耗,并轉化成有用的成分。不同的晶體管不同的“能力”,比如其承受功率的能力有區別,這也是因為其能獲取的直流能量的能力不同所致;
比如其反應速度不同,這決定它能工作在多寬多高的頻帶上;比如其面向輸入、輸出端的阻抗不同,及對外的反應能力不同,這決定了給它匹配的難易程度。
2、偏置電路及穩定電路
偏置和穩定電路是兩種不同的電路,但因為他們往往很難區分,且設計目標趨同,所以可以放在一起討論。
晶體管的工作需要在一定的偏置條件下,我們稱之為靜態工作點。這是晶體管立足的根本,是它自身的“定位”。每個晶體管都給自己進行了一定的定位,其定位不同將決定了它自身的工作模式,在不同的定位上也存在著不同的性能表現。有些定位點上起伏較小,適合于小信號工作;
有些定位點上起伏較大,適合于大功率輸出;有些定位點上索取較少,釋放純粹,適合于低噪聲工作;有些定位點,晶體管總是在飽和和截至之間徘徊,處于開關狀態。一個恰當的偏置點,是正常工作的礎。在設計寬帶功率放大器時,或工作頻率較高時,偏置電路對電路性能影響較大,此時應把偏置電路作為匹配電路的一部分考慮。
偏置網絡有兩大類型,無源網絡和有源網絡。無源網絡(即自偏置網絡)通常由電阻網絡組成,為晶體管提供合適的工作電壓和電流。
它的主要缺陷是對晶體管的參數變化十分敏感,并且溫度穩定性較差。有源偏置網絡能改善靜態工作點的穩定性,還能提高良好的溫度穩定性,但它也存在一些問題,如增加了電路尺寸、增加了電路排版的難度以及增加了功率消耗。
穩定電路一定要在匹配電路之前,因為晶體管需要將穩定電路作為自身的一部分存在,再與外界接觸。在外界看來,加上穩定電路的晶體管,是一個“全新的”晶體管。它做出一定的“犧牲”,獲得了穩定性。穩定電路的機制能夠保證晶體管順利而穩定的運轉。
3、輸入輸出匹配電路
匹配電路的目的是在選擇一種接受的方式。對于那些想提供更大增益的晶體管來說,其途徑是全盤的接受和輸出。這意味著通過匹配電路這一個接口,不同的晶體管之間溝通更加順暢,對于不同種的放大器類型來說,匹配電路并不是只有“全盤接受”一種設計方法。一些直流小、根基淺的小型管,更愿意在接受的時候做一定的阻擋,來獲取更好的噪聲性能,然而不能阻擋過了頭,否則會影響其貢獻。而對于一些巨型功率管,則需要在輸出時謹小慎微,因為他們更不穩定,同時,一定的保留有助于他們發揮出更多的“不扭曲的”能量。
典型的阻抗匹配網絡有L匹配、π形匹配和T形匹配。其中L匹配,其特點就是結構簡單且只有兩個自由度L和C。一旦確定了阻抗變換比率和諧振頻率,網絡的Q值(帶寬)也就確定了。
π形匹配網絡的一個優點就是不管什么樣的寄生電容,只要連接到它,都可以被吸到網絡中,這也導致了π形匹配網絡的普遍應用,因為在很多的實際情況中,占支配地位的寄生元件是電容。T形匹配,當電源端和負載端的寄生參數主要呈電感性質時,可用T形匹配來把這些寄生參數吸收入網絡。