晶體管放大電路的負載線包括直流負載線和交流負載線，描述了輸出端電壓、電流與負載之間的關系。大學期間曾經學習過相關知識，本文將與大家重溫所學內容，并介紹直流工作點對功率放大器性能的影響。

直流負載線

以場效應管為例，圖1給出了典型的晶體管放大電路，直流供電U_DD、電阻R_g和R_d構成了晶體管的偏置網絡，決定了靜態偏置點，R_L為電路的負載。u_i(t)為輸入的交流信號，疊加在U_DD提供的柵壓上，共同控制晶體管的輸出特性，漏源電壓U_ds也是放大后的交流信號與直流電壓的疊加波形。

圖1. 典型的晶體管放大電路及直流等效電路

晶體管可以工作在直流模式，在偏置網絡一定的情況下，柵源電壓U_gs和漏源電壓U_ds是不隨時間變化的，通常稱之為靜態工作狀態。當U_gs大于閾值電壓時，晶體管開始導通，漏極電壓的存在將使得漏極電流急劇增大，相當于一個壓控電流源，正是基于這一特性，晶體管可以用來設計放大電路。

圖1右為等效的直流電路，此時R_d相當于晶體管輸出的負載，漏源電壓可以表示為

進一步轉換為

上式即為直流負載方程，漏極電流與漏源電壓呈現為線性的關系，在晶體管的直流輸出特性曲線中將得到一條斜率為(-1/R_d)的直線，如圖2所示，這就是直流負載線。

決定晶體管輸出電流的關鍵因素之一在于所施加的柵源電壓，晶體管導通后，隨著柵源電壓的增大，漏極電流也將不斷增大，對于上述直流偏置網絡，漏源電壓將逐步減小。因此，直流負載線表面上只是漏極電流和漏源電壓的關系，實際上柵源電壓是“幕后推手”。

圖2. 晶體管的直流負載曲線

值得一提的是，直流負載方程取決于偏置網絡，偏置網絡不同，直流負載方程不同，直流負載線也將不同。

比如，實際的射頻功放偏置網絡很少采用圖1的形式，因為漏極電阻R_d會消耗很多功率，限制了效率。更常見的偏置網絡是，使用LDO經過RF Choke電感結合電容或者1/4λ傳輸線結合扇面電容給功放供電，不存在R_d (假設傳輸線及電感是理想無耗的)，無論I_d如何變化，U_ds始終是恒定的。直流負載線就是一條垂直線，如圖2虛線所示。

當設計好偏置網絡，柵壓和直流負載線就確定了，負載線與輸出特性曲線的交點(U_gs; I_d, U_ds)也就確定了，這就是直流工作點，或者稱為靜態工作點。直流工作點的選擇對于功放的性能至關重要，這一點將在下面介紹。

交流負載線

與直流負載線類似，交流負載線依然描述的是漏極電流與漏源電壓之間的關系，但是更多反映的是交流電流與電壓之間的關系。為了確定交流負載線，需要對前面提及的晶體管放大電路進行交流等效。因直流電源的內阻很小，對于交流信號可以等效為接地，故等效電路如圖3所示。于是，R_d // R_L就成為了放大電路的交流負載，記為R’_L。

圖3. 晶體管放大電路的交流等效電路

上圖雖然給出的是交流等效電路，但是在實際工作時，漏極上是需要提供直流的，這意味著漏源電壓和漏極電流實際都是交流成分和直流成分的疊加，分別記為U_ds(t)和I_d(t)。

假設當前偏置網絡確定的直流工作點為：(U_gs,Q; I_d,Q, U_ds,Q)，則漏源電壓可以表示為

式中，u_ds(t)為輸出交流電壓，與交流負載R’_L及交流電流i_d(t)存在如下關系

則U_ds(t)可寫為

經過變換可得

則漏極電流I_d(t)可寫為

由上式可知，I_d(t)是關于U_ds(t)的線性函數，這就是放大電路的交流負載方程，在任意時刻，漏極電流和漏源電壓都將滿足這一關系。如果在t₀時刻滿足U_ds(t)=U_ds,Q，則I_ds(t)=I_d,Q，這意味著此時交、直流負載線相交于直流工作點。圖4同時給出了直流和交流負載線，二者于直流工作點Q處相交，但交流負載線的斜率更大。

圖4. 晶體管放大電路的交、直流負載線

當給柵極輸入交流信號時，交流信號與U_gs,Q疊加后給柵極提供偏置，其中交流部分是隨時間動態變化的，根據晶體管的轉移特性曲線，I_d(t)和U_ds(t)也將動態變化。比如，柵壓變大，則I_d(t)增大，U_ds(t)將變小。交流負載線可以用來分析瞬時電流和電壓的變化軌跡，并確定輸出交流信號的幅度。圖5通過圖解方式描述了根據轉移特性曲線、直流工作點及交流負載線確定輸出電壓和電流幅度范圍的過程。

如前所述，實際偏置網絡中并沒有R_d，那么圖3所示的交流等效負載豈不是等于0，呈現短路狀態？

不會的，因為雖然沒有R_d，但是RF Choke電感或者1/4λ傳輸線的存在，將使得向電源看去，在放大器工作頻段的阻抗很大，這個阻抗并聯在負載上帶來的影響很小。

圖5. 晶體管放大電路的輸入、輸出信號轉換

此外，需要說明的是，實際的交流負載線并不是一條直線，而是一個橢圓，這是由于晶體管的負載中含有容性成分，一部分源于晶體管自身的漏源結電容C_ds，另一部分源于放大器的輸出負載。容性成分可以通過阻抗匹配來抵消，抵消得越多，則交流負載線越趨于一條直線。關于為什么容性負載會形成橢圓形的負載線，后面有時間再給大家介紹。

直流工作點對功放性能的影響

對于功放而言，往往關注三大參數：飽和輸出功率，效率和線性度，這三個參數不能同時達到最佳值，而且與直流工作點的選取有著重要的關系。

1. 對飽和輸出功率的影響

飽和輸出功率是功放的核心參數，也是器件選型時的關鍵考量參數。直流工作點是如何決定飽和輸出功率的呢？

此處考慮A類功率放大器，波形被放大后沒有被“截掉”。圖6給出了兩組直流負載線(黑色實線)及對應的交流負載線(紫色實線)，Q1和Q2分別為兩個直流工作點，假設最外側的輸出特性曲線處于臨界飽和狀態，那么交流負載線就確定了輸出交流電壓和電流的最大范圍。其中U_Q1和I_Q1為工作點Q1對應的最大輸出交流電壓和電流幅度，U_Q2和I_Q2為工作點Q2對應的最大輸出交流電壓和電流幅度。

很明顯，當將直流工作點由Q1移至Q2，功放所能輸出的飽和輸出功率將降低。因此，如果要得到更高的飽和輸出功率，只要晶體管可以耐受，直流工作點可以選得更高，且應位于晶體管放大區的中央位置，如果選擇A或者B作為直流工作點，都將達不到Q1處的最高飽和輸出功率。

圖6. 直流工作點對飽和輸出功率的影響

2. 對效率的影響

下面討論一下直流工作點對功放效率的影響，此處考慮的是漏極效率。

對于A類功率放大器，當功放達到飽和輸出功率時，也實現了當前直流偏置下的最高漏極效率。但是，A類功放的效率理論上最大也只有50%，為了實現更高的效率，可以將直流工作點沿著直流負載線向下選取。如圖7所示，如果選擇B作為工作點，則在輸入交流信號的半個周期內晶體管是截止的，這種功放稱為B類功放，通過合適的設計，B類功放的漏極效率理論值可以達到78.5%，而其缺點是線性度較差。

A類功放雖然效率低，但具有較好的線性度，為了兼顧效率和線性度，可以采用AB類功放，三種功放的直流工作點示意圖如圖7所示。單純從提高效率的角度看，還可以采用C類功放及開關功放(D/E/F類)，本文不再展開介紹。

圖7. A類、B類及AB類功放的直流工作點

A類功放即使沒有交流信號輸入，依然存在直流功耗，這意味著輸入的交流信號越小，漏極效率越低。如果存在一種方式能夠使得直流工作點隨著輸入信號的幅度而變化，則可以有效提高效率，這種方式就是無線通信中常用的包絡跟蹤技術(Envelope Tracking)。

包絡跟蹤就是指根據輸入信號的強弱實時調整漏極電壓的大小，以圖6為例，當輸入信號較強時，選擇Q1作為直流工作點，而當輸入信號較弱時，選擇Q2作為直流工作點，可以有效地降低直流功耗，從而提高漏極效率。

3. 對線性度的影響

現代無線通信系統對于功放的線性度要求較高，尤其是具有高峰均比(PAPR)的通信系統。如果要得到較好的線性度，就要采用A類功放。如何選取合適的直流工作點，以改善功放的線性度呢？

建議將直流工作點置于晶體管線性放大區的中央位置，如圖7所示的工作點A，這樣既遠離飽和區，也遠離截止區，不容易導致波形非線性失真。對于晶體管轉移特性曲線的非線性跨導，當輸入信號較強時，也會引起波形的非線性失真，此時可以通過降低輸出功率(即功率回退)來改善功放的線性度。

除此之外，還可以采用數字預失真技術(DPD)改善功放的線性度，具有同時兼顧線性度、輸出功率及效率的優勢，已在移動通信中得到了廣泛的應用。

小結

作為晶體管放大電路設計的基礎，對直流和交流負載線的理解至關重要。本文簡要地介紹了交直流負載線及其由來，并以圖解方式描述了輸入、輸出信號之間的轉換，結合作者平時的理解和積累，文末又介紹了直流工作點對于功放性能的影響，希望對大家有所幫助。

由于作者水平有限，文中難免有紕漏，望多多指正

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