中心議題：
- D類MOSFET的開關(guān)特性
- D類MOSFET在射頻功放中的應(yīng)用
- D類MOSFET器件的維護(hù)和存儲(chǔ)
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，MOS管在電子與通信工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是在大功率全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器中，利用MOS管的開關(guān)特性，可使整個(gè)射頻功率放大器工作在開關(guān)狀態(tài)，從而提高整機(jī)效率，改善技術(shù)性能，同時(shí)使發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器處于低電壓范圍，有利于設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。本文對(duì)D類MOS管在廣播發(fā)射機(jī)射頻功放電路中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。
1 MOSFET的開關(guān)特性
MOSFET是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)的簡稱，或稱為MOS場效應(yīng)管，它是有別于結(jié)型場效應(yīng)管的絕緣柵型場效應(yīng)管。絕緣柵場效應(yīng)管分為兩種類型：一種是耗盡型場效應(yīng)管，一種是增強(qiáng)型場效應(yīng)管。場效應(yīng)管一般有三個(gè)電極，即柵極(G)、漏極(D)和源極(S)。若其柵源電壓為VGS，則當(dāng)VGS≤0時(shí)，就可能產(chǎn)生漏源電流ID的絕緣柵場效應(yīng)管，即為耗盡型場效應(yīng)管。而在VGS>O的情況下才能產(chǎn)生漏源電流ID的絕緣柵場效應(yīng)管為增強(qiáng)型場效應(yīng)管。一般使用的射頻功率場效應(yīng)管都是增強(qiáng)型MOS管，因而只需提供正向偏壓即可使器件工作。
圖1所示是增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理。圖1中，襯底與源極相連，令VGS≤0或?yàn)楹苄〉恼妷海词筕DS為正電壓，由于漏極和襯底之間的PN結(jié)為反向偏置或絕緣層和襯底界面上感應(yīng)的少量電子被P型襯底中的大量空穴所中和，故可使得ID=0或ID≈0。當(dāng)VGS超過開啟電壓VT時(shí)，強(qiáng)電場就會(huì)積累較多的電子，因而在襯底的表面感應(yīng)出一個(gè)N型層，稱為導(dǎo)電溝道或者反型層。由于感應(yīng)出的反型層與漏源之間的N區(qū)沒有PN結(jié)勢壘，故有良好的接觸，這樣就產(chǎn)生了ID，即增強(qiáng)型場效應(yīng)管導(dǎo)電的基本要求是：VGS≥VT。
圖1 增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)原理
圖2所示是N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線和表示符號(hào)。圖2(a)為輸出特性曲線族，表明了柵極的控制作用以及不同柵極電壓下，漏極電流與漏極電壓之間的關(guān)系。在非飽和區(qū)(I)，也稱為變阻區(qū)，漏極電流ID隨VDS的變化近似于線性變化；而在飽和區(qū)(Ⅱ)，又稱為放大區(qū)，器件具有放大作用。漏極電流ID幾乎不隨VDS變化。但當(dāng)VGS增大時(shí)，由于溝道電阻減小，其飽和電流值也相應(yīng)增大，所以，飽和區(qū)為MOSFET的線性放大區(qū)；在截止區(qū)(Ⅲ)，VGS<VT，漏極電流ID=0；在擊穿區(qū)(Ⅳ)，即當(dāng)VDS增大到足以使漏區(qū)與襯底間的PN結(jié)引發(fā)雪崩擊穿時(shí)，ID迅速增大。圖2(b)為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。圖2(c)為其表示符號(hào)。
圖2 N溝道增強(qiáng)型絕緣柵場效應(yīng)管的特性曲線和表示符號(hào)[page]
實(shí)際上，可以將MOS管的漏極D和源極S當(dāng)作一個(gè)受柵極電壓控制的開關(guān)來使用：當(dāng)VGS>VT時(shí)，漏極D與源極S之間相當(dāng)于連接了一個(gè)小阻值的電阻，這相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)VGS<VT時(shí)，漏極D與源極S之間為反向PN結(jié)所隔開，此時(shí)相當(dāng)于開關(guān)斷開。
由于MOSFET是電壓控制器件，具有很高的輸入阻抗，因此驅(qū)動(dòng)功率小，而且驅(qū)動(dòng)電路簡單。同時(shí)，輸入電路的功耗可大大減小，有助于控制并實(shí)現(xiàn)最大功率。場效應(yīng)管是多數(shù)載流子導(dǎo)電，不存在少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，適宜于在環(huán)境條件變化比較劇烈的情況下。另外，它還具有較高的開啟電壓(即閾值電壓)，因此具有較高的噪聲容限和抗干擾能力。MOSFET通常由于具有較寬的安全工作區(qū)而不會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)和二次擊穿。由于該器件有一個(gè)零溫度系數(shù)的工作點(diǎn)，即當(dāng)柵極電壓在某一合適的數(shù)值時(shí)，ID不受溫度變化的影響，因而具有很好的熱穩(wěn)定性。
2 D類MOSFET在射頻功放中的應(yīng)用
現(xiàn)以美國哈里斯(HARRIS)公司研發(fā)的數(shù)字化調(diào)幅(DIGITAL AMPLITUDE MODULATION)發(fā)射機(jī)為例，來說明D類MOSFET在射頻功放中的應(yīng)用。
數(shù)字調(diào)幅就是將控制載波電平和音頻調(diào)制的模擬信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過編碼變成控制射頻功放模塊開通和關(guān)斷的控制信號(hào)，通過控制相應(yīng)數(shù)目的射頻功放模塊的開通或者關(guān)斷數(shù)量來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。DAM發(fā)射機(jī)取消了傳統(tǒng)的高電平音頻功放，而且所有的射頻功率放大器均工作于D類開關(guān)狀態(tài)，故其整機(jī)效率明顯高于其它制式的發(fā)射機(jī)，典型效率可達(dá)到86％。圖3所示為DX一200型DAM發(fā)射機(jī)的射頻功率放大器模塊的原理方框圖。
圖3 射頻功率放大器模塊的原理方框圖
DX一200型DAM發(fā)射機(jī)射頻功放模塊中使用的MOS管型號(hào)為IRFP360，它們都工作于D類開關(guān)狀態(tài)，即在射頻周期的半個(gè)周期飽和導(dǎo)通，相當(dāng)于開關(guān)閉合；而在另半個(gè)周期截止，相當(dāng)于開關(guān)斷開。每個(gè)功放模塊共使用八只MOS管，被接成橋式組態(tài)。來自調(diào)制編碼器的信號(hào)可用來控制射頻功放模塊的接通／關(guān)斷。每兩個(gè)MOS管組成一個(gè)開關(guān)。電路有四個(gè)由MOS管組成的開關(guān)。其中，Q1／Q3與Q6／Q8的射頻激勵(lì)信號(hào)相位相同，圖3中標(biāo)示為0°；Q2／Q4和Q5／Q7的射頻激勵(lì)信號(hào)同相位，圖3中標(biāo)示為180°。可見，橋式組態(tài)的MOS管為交替導(dǎo)通狀態(tài)，并且其交替頻率就是射頻激勵(lì)信號(hào)的頻率，即發(fā)射機(jī)的載波頻率。
2．1 全橋組態(tài)工作原理
圖4所示為射頻放大器的全橋組態(tài)，即四對(duì)MOS管用作開關(guān)。射頻激勵(lì)信號(hào)的相位情況是當(dāng)射頻功放模塊接通時(shí)，這些開關(guān)中只有兩個(gè)可以組合起來。并且，在激勵(lì)信號(hào)的正半周，標(biāo)示為0°的MOS管處于正半周，標(biāo)示為180°的MOS管處于負(fù)半周。
圖4 射頻功放全橋組態(tài)的工作原理
在射頻周期的負(fù)半周，Ql／Q3和Q6／Q8處于截止?fàn)顟B(tài)，相當(dāng)于開關(guān)斷開；Q2／Q4和QS／Q7則是飽和導(dǎo)通的，相當(dāng)于開關(guān)接通。Q2／Q4和QS／Q7串聯(lián)導(dǎo)通電源電壓為+V，若忽略MOS管的飽和壓降，+V將全部降落在合成變壓器上。在射頻周期的正半周，Q1／Q3和Q6／Q8處于導(dǎo)通狀態(tài)，Q2／Q4和QS／Q7為截止?fàn)顟B(tài)。Ql／Q3和Q6／Q8串聯(lián)導(dǎo)通電源電壓+V，+V全部降落在合成變壓器上。由圖4可見，合成變壓器初級(jí)電壓方波輸出相差180°，說明輸出電壓的峰峰值為+2V。MOS開關(guān)的作用就是有效地將整個(gè)電源電壓跨接在合成變壓器的初級(jí)繞組上，在射頻激勵(lì)信號(hào)的每半個(gè)周期是反相的。作為全橋組態(tài)，輸出就是兩倍電源電壓的射頻輸出。為了防止直流電壓通過變壓器的繞組通地，應(yīng)在每部分的射頻輸出都串聯(lián)有隔直電容C。
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2．2 半橋組態(tài)工作原理
以Q1／Q3和QS／Q7的工作情況為例，其工作原理如圖5所示。
圖5 半橋組態(tài)工作原理
在射頻功放模塊的設(shè)計(jì)中，兩個(gè)半橋式組態(tài)采用單獨(dú)的電源和射頻激勵(lì)輸入，這樣可以使每個(gè)放大器兩個(gè)半橋獨(dú)立地進(jìn)行工作。如將Q1／Q3源極和QS／Q7的漏極接在一起，射頻輸出從0V到+V，則可保證當(dāng)一個(gè)全橋組態(tài)的射頻功放模塊在任何一個(gè)半橋出現(xiàn)故障時(shí)，射頻功放模塊仍然可以工作。只是射頻輸出電壓減小為全橋組態(tài)的一半而已。
在射頻激勵(lì)信號(hào)的負(fù)半周，MOS管QI／Q3截止，QS／Q7導(dǎo)通，如圖5(a)所示。而在射頻激勵(lì)輸入信號(hào)的正半周，MOS管Q1／Q3導(dǎo)通，QS／Q7截止，如圖5(b)所示。Q2／Q4和Q6／Q8的開關(guān)情況與此正好相反。跨在功率合成變壓器初級(jí)兩端的輸出信號(hào)就在半個(gè)周期里，在地(約為0V)和正電源間進(jìn)行一次切換，如圖5(c)所示。
2．3 射頻功放模塊在關(guān)斷時(shí)的射頻電流
由于DX一200型DAM發(fā)射機(jī)的射頻功放模塊數(shù)為224，在不同的功率等級(jí)下所接通的射頻功放模塊的數(shù)量不同，其輸出變壓器的次級(jí)為串聯(lián)輸出，這就決定了關(guān)斷的射頻功放模塊必須為在用的或者接通的功放模塊提供一條低阻抗導(dǎo)電通路。其工作原理電路如圖6所示。
圖6 低阻抗導(dǎo)電通路工作原理圖
因?yàn)樵谟玫墓Ψ拍K產(chǎn)生的射頻電流必須流過合成變壓器的次級(jí)，并在已關(guān)斷的射頻功放模塊的初級(jí)繞組上感應(yīng)出射頻電壓。根據(jù)楞次定律，變壓器次級(jí)電流所產(chǎn)生的磁通總是試圖抵消初級(jí)電流所產(chǎn)生的磁通，所以，流過關(guān)斷功放輸出變壓器次級(jí)的電流感應(yīng)到初級(jí)的電壓后，一定和原來的輸出電壓極性相反。在如圖6(a)所示，由次級(jí)電流感應(yīng)到初級(jí)的電壓為左正右負(fù)，說明關(guān)斷的射頻功放在導(dǎo)通狀態(tài)下的變壓器初級(jí)電壓極性是左負(fù)右正，與此相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通管為Q2／Q4，截止管為01／Q3，從而形成的低阻抗通路為：與Ql／Q3相并聯(lián)的反向二極管→旁路電容C1、C3→旁路電容C2、C4→Q2／Q4→隔直電容C。同理，圖6(b)所形成的低阻抗通路為：與Q2／Q4相并聯(lián)的反向二極管→旁路電容C2、C4→旁路電容C1、C3→Q1／Q3。
3 MOSFET器件的維護(hù)和存儲(chǔ)
圖7所示為IRFP360的外型及表示符號(hào)。它的特點(diǎn)，一是具有隔離式的中心裝配孔，并有重復(fù)性的雪崩定額；二是漏源之間并聯(lián)有反向二極管，其電壓變化率定額很大而且驅(qū)動(dòng)電路比較簡單，此外，同型號(hào)的管子并聯(lián)也很容易。然而，由于MOS管的柵極輸人阻抗較高，容易產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，從而導(dǎo)致柵極易擊穿，所以在維護(hù)中應(yīng)特別注意。
圖7 IRFP360的外型及表示符號(hào)
一般情況下，應(yīng)將MOS管存放在防靜電包裝袋內(nèi)，或在各極短路的情況下保存。同時(shí)對(duì)存放庫房應(yīng)注意除塵，保持庫房的清潔。在取用和安裝過程中，應(yīng)帶好防靜電手鐲。更換管子時(shí)，應(yīng)將新管的源極(S)接地，并使用防靜電烙鐵或焊接時(shí)拔掉烙鐵的電源插頭，并快速焊接。
4 結(jié)束語
利用MOS管的開關(guān)特性可使射頻功率放大器工作于D類開關(guān)狀態(tài)，以便提高整機(jī)效率、改善技術(shù)指標(biāo)。希望通過本文的分析，為MOSFET的使用維護(hù)帶來一些啟迪。
