D类MOSFT在发射机射频功放中的应用
时间：11-18
来源：EDN
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O 引言
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 Oxide 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l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。
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。
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 Oxide 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l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。
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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。
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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。
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