晶體管放大電路的負(fù)載線包括直流負(fù)載線和交流負(fù)載線，描述了輸出端電壓、電流與負(fù)載之間的關(guān)系。大學(xué)期間曾經(jīng)學(xué)習(xí)過相關(guān)知識(shí)，本文將與大家重溫所學(xué)內(nèi)容，并介紹直流工作點(diǎn)對(duì)功率放大器性能的影響。

直流負(fù)載線

以場(chǎng)效應(yīng)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(gòu)成了晶體管的偏置網(wǎng)絡(luò)，決定了靜態(tài)偏置點(diǎn)，R_L為電路的負(fù)載。u_i(t)為輸入的交流信號(hào)，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(hào)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(wǎng)絡(luò)一定的情況下，柵源電壓U_gs和漏源電壓U_ds是不隨時(shí)間變化的，通常稱之為靜態(tài)工作狀態(tài)。當(dāng)U_gs大于閾值電壓時(shí)，晶體管開始導(dǎo)通，漏極電壓的存在將使得漏極電流急劇增大，相當(dāng)于一個(gè)壓控電流源，正是基于這一特性，晶體管可以用來設(shè)計(jì)放大電路。

圖1右為等效的直流電路，此時(shí)R_d相當(dāng)于晶體管輸出的負(fù)載，漏源電壓可以表示為

進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為

上式即為直流負(fù)載方程，漏極電流與漏源電壓呈現(xiàn)為線性的關(guān)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(fù)載線。

決定晶體管輸出電流的關(guān)鍵因素之一在于所施加的柵源電壓，晶體管導(dǎo)通后，隨著柵源電壓的增大，漏極電流也將不斷增大，對(duì)于上述直流偏置網(wǎng)絡(luò)，漏源電壓將逐步減小。因此，直流負(fù)載線表面上只是漏極電流和漏源電壓的關(guān)系，實(shí)際上柵源電壓是“幕后推手”。

圖2. 晶體管的直流負(fù)載曲線

值得一提的是，直流負(fù)載方程取決于偏置網(wǎng)絡(luò)，偏置網(wǎng)絡(luò)不同，直流負(fù)載方程不同，直流負(fù)載線也將不同。

比如，實(shí)際的射頻功放偏置網(wǎng)絡(luò)很少采用圖1的形式，因?yàn)槁O電阻R_d會(huì)消耗很多功率，限制了效率。更常見的偏置網(wǎng)絡(luò)是，使用LDO經(jīng)過RF Choke電感結(jié)合電容或者1/4λ傳輸線結(jié)合扇面電容給功放供電，不存在R_d (假設(shè)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(fù)載線就是一條垂直線，如圖2虛線所示。

當(dāng)設(shè)計(jì)好偏置網(wǎng)絡(luò)，柵壓和直流負(fù)載線就確定了，負(fù)載線與輸出特性曲線的交點(diǎn)(U_gs; I_d, U_ds)也就確定了，這就是直流工作點(diǎn)，或者稱為靜態(tài)工作點(diǎn)。直流工作點(diǎn)的選擇對(duì)于功放的性能至關(guān)重要，這一點(diǎn)將在下面介紹。

交流負(fù)載線

與直流負(fù)載線類似，交流負(fù)載線依然描述的是漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系，但是更多反映的是交流電流與電壓之間的關(guān)系。為了確定交流負(fù)載線，需要對(duì)前面提及的晶體管放大電路進(jìn)行交流等效。因直流電源的內(nèi)阻很小，對(duì)于交流信號(hào)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(fù)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(shí)際工作時(shí)，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(shí)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(shè)當(dāng)前偏置網(wǎng)絡(luò)確定的直流工作點(diǎn)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(fù)載R’_L及交流電流i_d(t)存在如下關(guān)系

則U_ds(t)可寫為

經(jīng)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(guān)于U_ds(t)的線性函數(shù)，這就是放大電路的交流負(fù)載方程，在任意時(shí)刻，漏極電流和漏源電壓都將滿足這一關(guān)系。如果在t₀時(shí)刻滿足U_ds(t)=U_ds,Q，則I_ds(t)=I_d,Q，這意味著此時(shí)交、直流負(fù)載線相交于直流工作點(diǎn)。圖4同時(shí)給出了直流和交流負(fù)載線，二者于直流工作點(diǎn)Q處相交，但交流負(fù)載線的斜率更大。

圖4. 晶體管放大電路的交、直流負(fù)載線

當(dāng)給柵極輸入交流信號(hào)時(shí)，交流信號(hào)與U_gs,Q疊加后給柵極提供偏置，其中交流部分是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的，根據(jù)晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線，I_d(t)和U_ds(t)也將動(dòng)態(tài)變化。比如，柵壓變大，則I_d(t)增大，U_ds(t)將變小。交流負(fù)載線可以用來分析瞬時(shí)電流和電壓的變化軌跡，并確定輸出交流信號(hào)的幅度。圖5通過圖解方式描述了根據(jù)轉(zhuǎn)移特性曲線、直流工作點(diǎn)及交流負(fù)載線確定輸出電壓和電流幅度范圍的過程。

如前所述，實(shí)際偏置網(wǎng)絡(luò)中并沒有R_d，那么圖3所示的交流等效負(fù)載豈不是等于0，呈現(xiàn)短路狀態(tài)？

不會(huì)的，因?yàn)殡m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(gè)阻抗并聯(lián)在負(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換

此外，需要說明的是，實(shí)際的交流負(fù)載線并不是一條直線，而是一個(gè)橢圓，這是由于晶體管的負(fù)載中含有容性成分，一部分源于晶體管自身的漏源結(jié)電容C_ds，另一部分源于放大器的輸出負(fù)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(fù)載線越趨于一條直線。關(guān)于為什么容性負(fù)載會(huì)形成橢圓形的負(fù)載線，后面有時(shí)間再給大家介紹。

直流工作點(diǎn)對(duì)功放性能的影響

對(duì)于功放而言，往往關(guān)注三大參數(shù)：飽和輸出功率，效率和線性度，這三個(gè)參數(shù)不能同時(shí)達(dá)到最佳值，而且與直流工作點(diǎn)的選取有著重要的關(guān)系。

1. 對(duì)飽和輸出功率的影響

飽和輸出功率是功放的核心參數(shù)，也是器件選型時(shí)的關(guān)鍵考量參數(shù)。直流工作點(diǎn)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(fù)載線(黑色實(shí)線)及對(duì)應(yīng)的交流負(fù)載線(紫色實(shí)線)，Q1和Q2分別為兩個(gè)直流工作點(diǎn)，假設(shè)最外側(cè)的輸出特性曲線處于臨界飽和狀態(tài)，那么交流負(fù)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(diǎn)Q1對(duì)應(yīng)的最大輸出交流電壓和電流幅度，U_Q2和I_Q2為工作點(diǎn)Q2對(duì)應(yīng)的最大輸出交流電壓和電流幅度。

很明顯，當(dāng)將直流工作點(diǎn)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(diǎn)可以選得更高，且應(yīng)位于晶體管放大區(qū)的中央位置，如果選擇A或者B作為直流工作點(diǎn)，都將達(dá)不到Q1處的最高飽和輸出功率。

圖6. 直流工作點(diǎn)對(duì)飽和輸出功率的影響

2. 對(duì)效率的影響

下面討論一下直流工作點(diǎn)對(duì)功放效率的影響，此處考慮的是漏極效率。

對(duì)于A類功率放大器，當(dāng)功放達(dá)到飽和輸出功率時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了當(dāng)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(shí)現(xiàn)更高的效率，可以將直流工作點(diǎn)沿著直流負(fù)載線向下選取。如圖7所示，如果選擇B作為工作點(diǎn)，則在輸入交流信號(hào)的半個(gè)周期內(nèi)晶體管是截止的，這種功放稱為B類功放，通過合適的設(shè)計(jì)，B類功放的漏極效率理論值可以達(dá)到78.5%，而其缺點(diǎn)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(diǎn)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(guān)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(diǎn)

A類功放即使沒有交流信號(hào)輸入，依然存在直流功耗，這意味著輸入的交流信號(hào)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(diǎn)隨著輸入信號(hào)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(luò)跟蹤技術(shù)(Envelope Tracking)。

包絡(luò)跟蹤就是指根據(jù)輸入信號(hào)的強(qiáng)弱實(shí)時(shí)調(diào)整漏極電壓的大小，以圖6為例，當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，選擇Q1作為直流工作點(diǎn)，而當(dāng)輸入信號(hào)較弱時(shí)，選擇Q2作為直流工作點(diǎn)，可以有效地降低直流功耗，從而提高漏極效率。

3. 對(duì)線性度的影響

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對(duì)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(tǒng)。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(diǎn)，以改善功放的線性度呢？

建議將直流工作點(diǎn)置于晶體管線性放大區(qū)的中央位置，如圖7所示的工作點(diǎn)A，這樣既遠(yuǎn)離飽和區(qū)，也遠(yuǎn)離截止區(qū)，不容易導(dǎo)致波形非線性失真。對(duì)于晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的非線性跨導(dǎo)，當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，也會(huì)引起波形的非線性失真，此時(shí)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(shù)字預(yù)失真技術(shù)(DPD)改善功放的線性度，具有同時(shí)兼顧線性度、輸出功率及效率的優(yōu)勢(shì)，已在移動(dòng)通信中得到了廣泛的應(yīng)用。

小結(jié)

作為晶體管放大電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)直流和交流負(fù)載線的理解至關(guān)重要。本文簡(jiǎn)要地介紹了交直流負(fù)載線及其由來，并以圖解方式描述了輸入、輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，結(jié)合作者平時(shí)的理解和積累，文末又介紹了直流工作點(diǎn)對(duì)于功放性能的影響，希望對(duì)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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