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高增益大功率放大器（一）功率放大器是很重要的一个部分，它的基本要求有：1．要求输出功率尽可能大；为了获得大的输出功率，要求输出电压和输出电流均有较大的幅度，即三极管处于大信号状态（往往在接近截止区与饱和区之间摆动），因此晶体管在尽限应用。选择功放管时要保留一定的余量。不得超越极限参数进入安全区，以保证功放管安全可靠的工作。2．非线性失真要小；功率放大器是在大信号下工作的，所以不可避免要产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真越严重，就使得输出功率与非线性失真成为一对主要矛盾。3．效率要高；由于功率放大器的输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，就存在一个效率问题。所谓效率就是最大交流功率P0与电源供给的支流功率Pe的比值，即:η=P0/Pe，比值越大，放大器的效率就越高。4．要充分考虑功放管的散热；在功率放大器中，电源供给的直流功率，一部分转换成负载有用的功率，而另一部分则成为功放管的损耗，使功放管发热，热的积累将导致晶体管性能恶化，甚至烧坏，为使管子输出足够大的功率，还要保证管子安全可靠的工作，因此管子的散热及防止击穿等问题应特别给予考虑。（二）微波功率晶体管的性能参数（1）极限工作电压、结击穿电压和最高工作电压；极限工作电压（Vc）是指发生下列三种情况之一的最小电压值：P-N结发生击穿，或甚至完全损坏；晶体管的参数发生显著的变化，以至暂时丧失工作能力；管子的参数发生缓慢的，而不是不可恢复的变化。结击穿电压Vb（极电结或发射结击穿电压，这里统称为结击穿电压）是指极电结或发射结在加有反向电压下发生击穿现象时的电压值。通常将P-N结反向电流达到一定值时的反向电压值定为击穿电压值。最高工作电压（Vm）是指晶体管能够安全工作的最高电压。为了防止可能出现的偶然不利因素，以及保证晶体管工作的可靠性，稳定性和使用寿命，Vm必须小于晶体管的极限工作电压。（2）极限工作温度、最高结温度和最高储存温度；极限工作温度，通常理解为保证晶体管能够正常工作的最高温度。当晶体管内部温度超过结温时，它就要暂时失去工作的能力，或者完全失效。最高结温度是指晶体管正常工作时的最高P-N结温度（主要指集电结温度，因为热量主要在该处产生）。最高储存温度，它是保证晶体管未加电压时不遭受破坏的最高温度当温度超过最高存储温度时，其工作能力会发生不可恢复的突然丧失，或引起管子特性的不可恢复的恶化。（3）热阻和最大集电极耗散功率；热阻是功率晶体管是一个重要参数，它表征晶体管工作时所产生的热量向外界散发的能力。单位是“℃/W”，它的物理意义是当管子的耗散功率等于1W时晶体管的管内温升度数。它越小，晶体管散发所产生的热量本领越大，因而在相同环境温度下能够承受更大的耗散功率，热阻的定义是：Rt=（T2-T1）/Pc。其中T2是热源温度（即极电结温度）；T1是环境温度；Pc是晶体管工作时的极电结耗散功率。晶体管的热阻由三个部分组成：Rt=Rti+Rtc+Rto其中Rti表示热流由热源流至晶体管底座的那部分热阻，称为内热阻；Rtc表示热流由管子底座流至外散热器的热阻，称为接触热阻。Rto表示由散热器向周围介质（一般为空气）散发热量的热阻，称为外热阻。最大集电极耗散功率是指在一定环境温度T1=T0下，使极电结温度到达允许的最高值。即T2=Tjm时的集电极耗散功率。（4）饱和电阻和最大集电极电流；晶体管的饱和电阻是指晶体管处在饱和状态下集电极-发射极之间的电阻（在一定的集电极电流下），可用公式：Rces=Vces/Ic。其中Vces为晶体管在饱和状态时集电极-发射极之间的压降，称为晶体管的饱和压降（在一定集电极电流下）。无论是从制造工艺难易程度来看，还是从使用方便，安全可靠的角度来看，通常希望功率晶体管工作在低电压大电流的状态，而不是工作在高电压小电流状态。在很低的电压范围内，晶体管的饱和电阻是限制最大工作电流的主要因素。当工作电压稍大时，管子的电流放大系数（α或β）将随电流增加而下降，从而限制了工作电流的增加。当工作电压增大到一定值后，管子允许的Pcm就成为限制工作电流的决定因素了。IcABCD0EVce如图所示的功率晶体管的安全工作区。当管子工作在ABCDE曲线所规定的区域内时，可以认为是安全的。其中AB是管子最大集电极工作电流Icm的限制曲线。CD为二次击穿限制曲线。DE为集电极-发射极最大耐压VCEmaxc曲线。（5）特征频率；特征频率定义为晶体管的电流增益β下降到1时的频率。它是表征晶体管在高频时放大能力的一个基本参量。由于特征频率与电流有关，故必须考虑它随电流分布关系。但特征频率高的管子在高频工作时，并不一定能够输出大的功率，只有在大的工作电流范围内特征频率高的管子在高频下工作才能达到大的功率输出，因此对应于特征频率峰值下的Ifm的大小是衡量晶体管输出能力的重要标志。（如图）fTIfmIc（6）功率增益；功率增益Gp是微波功率晶体管重要参数之一。微波功率晶体管由于受到材料和工艺的限制，一般其Gp都不是很高，而且还受带宽和增益乘积的限制。如果要求带宽宽Gp就低，反之就大。同时Gp也是随着工作频率升高而下降，在微波功率晶体管中，由于各种因素的影响。它不遵循每倍频程6dB的下降规律，而通常以每倍频程（3~5）dB规律下降。（7）输出功率；微波功率晶体管的输出功率Po不仅与工作功率和工作状态有关，而且极大的依赖于管子的热状态和电流分布的均匀性。器件内部局部过热点的出现是限制最大安全输出功率的重要参数。对于兆赫以上的微波功率晶体管。连续输出功率Po不可能超过最大集电极耗散功率Pcm值的40-50%，因为在连续使用时，管子的工作温度很高。如果一旦发生偶然的负载失配现象，反射回管子的功率将使结温继续升高，为了使结温始终保持在200℃以下，必须有良好的匹配。（8）集电极效率；集电极效率η定义为晶体管的输出功率与电源总消耗的比值：η=Po/(Vcc×Ic×100%)其中Vcc是集电极供电电源值；Ic是流经集电极的电流值。提高功率晶体管的效率值具有重要意义，因为效率高，电源利用率也就高，而且降低了消耗在管子内部的功率，因而降低了管子的工作温度，这就使管子的热稳定性得到改善。提高η值总是与扩大管子的输出特性曲线的工作区域相一致，为此应当采用饱和压降小的管子并提高工作电压，而且还需要改善在不同工作电流下放大系数的均匀性，使得非线性失真不因工作区域的扩大而增加，此外η值还与工作状态有重大关系，而且是工作频率的函数。线性微波功率放大器的主要性能指标有：（1）、工作频带指放大器的输出功率的波动或增益不平坦度在一定范围内时，放大器所对应的工作频率宽度。（2）、增益定义为标称输出功率和输入功率之比。（3）、输出功率如图所示：图中是功率放大器输出功率和输入功率的关系。由图可知，在小信号区，功率增益基本不变，这时功率增益（Gpmax）与输入功率大小无关。但随信号加大，功率增益便下降。通常把增益由Gpmax下降1dB的点D（即Gp(1dB)）称为1dB增益压缩点，把该点对应的输出功率称为1dB增益压缩点输出功率Po(1dB)。当输入功率超过Pi(1dB)以后，放大器很快进入饱和区工作。此时所对应的输出功率便是饱和输出功率。（4）、电源效率电源效率定义为ηdc=(Po/Pdc)×100%式中，Po是射频输出功率，Pdc是放大器电源消耗的功率。（5）、三阶交调系数它反映功率放大器的非线性。在两个正弦信号（ω1与ω2）激励下，由于非线性，功率放大器将产生一些新的频率分量。三阶交调系数就是（2ω1-ω2）或（2ω2-ω1）频率信号的幅度与基波ω1或ω2的信号幅度之比值。有时为了方便，也可以直接做输入-输出功率关系曲线，来定性观察这项指标。(三)微波晶体管S参量将微波晶体管看成是一个线性有源两端口网络，其输入端输出端传输线的特性阻抗值为Zo，输入端信号源内阻为Zs，输出端负载阻抗为Zl。如图所示：由于微波传输线上任何一点的电压波都看成由一个入射电压波和一个反射电压波叠加而成，并能方便的进行测量，故选择入射电压波和反射电压波为网络端口的变量。设输入端入射电压波为a1，反射电压波为b1，输入端入射电压波为a2，反射电压波为b2，若输入端输入电压为V1，输入电压为I1，输出端的输出电压为V2，输出电流为I2，则a,b可用V，I表示如下：a1=（1/2）(V1/0Z+I10Z)=(V1+I1Z0)/20Zb1=（1/2）(V1/0Z-I10Z)=(V1-I1Z0)/20Za2=（1/2）(V2/0Z+I20Z)=(V2+I2Z0)/20Zb2=（1/2）(V2/0Z-I20Z)=(V2-I2Z0)/20Z以入射波a1,a2为自变量，反射波b1,b2为因变量，则可得线性网络方程为：b1=S11a1+S12a2b2=S21a1+S22a2式中系数S11，S12，S21，S22即称为微波晶体管S参量，由此可求得其表示式为：S11=b1/a1|a2=0=(V1-I1Z0)/(V1+I1Z0)=(Z1-Z0)/(Z1+Z0)式中Z1=V1/I1为输入端阻抗。因a2=0，有Zl=Z0，故S11表示输出端阻抗匹配时，输入端的电压反射系数。S12=b1/a2|a1=0=-2Z0I1/(V2+I2Z0)因a1=0，有Zs=Z0，故S12表示输入端阻抗匹配时的反向电压传输系数。S21=b2/a1|a2=0=-2Z0I2/(V2+I2Z0)S21表示输出端阻抗匹配时的正向电压传输系数。S22=b2/a2|a1=0=(V2-I2Z0)/(V2+I0Z0)=(Z2-Z0)/(Z2+Z0)式中Z2=V2/I2为输出端阻抗，S22表示输入端阻抗匹配时，输出端的电压反射系数。在一定条件下，测出微波晶体管的S参数，就可将微波晶体管等效为两端口的S参数的线性网络，从而大大方便了微波电路的设计和计算。(四)晶体管的选择研制微带功率晶体管放大器遇到的第一个问题，就是正确选择晶体管，选择晶体管时，应当根据电路设计要求，晶体管参数和现实条件进行。为了得到大的功率输出，我们应当选用热阻小，电流容量大，效率高，输入和输出阻抗匹配能力好的晶体管。应当选用集电极耗散功率比所需要的输出功率大一倍以上的功率晶体管。并设法使耗散功率在晶体管内部的分布要均匀，这样即可以降低热阻，又可改善晶体管的热稳定性和效率。这一般是通过在晶体管管芯内制作适当阻值（零点几欧姆）的发射极镇流电阻来实现的。提高晶体管的功率增益具有重要意义，因为采用功率增益大的晶体管可以减少放大器的级数，从而减少了电路元件数目，这样就简化了电路结构，降低了成本。采用功率增益大的晶体管还可以在高频输入信号功率较小时，达到预期的输出功率指标。因而有利于提高放大器的总效率。考虑到功率晶体管的负载一般是由电感电容组成的谐振回路，因此在工作时，电感线圈两端所产生的感应电动势将与电源电压叠加在一起施加在管子的集电极-发射极之间，因此晶体管实际承受的电压将超过电源电压值近一倍。此外还需考虑到由于开关电源等因素在电路中产生的瞬时高压现象。值得注意，我们不可以在一个以上极限参数条件下使用晶体管，一般应留有20%的余量，特别是晶体管的结温应当控制在最大额定值的80%以内，因为晶体管的大多数参数都与热状态有关。例如温度升高后管子的输出功率，增益和效率都要下降。功率晶体管在工作过程中，由于极间电压和流经管子的电流值随时间不断变化，因此即使保持管子周围环境温度不变，管子在工作过程中也要经受剧烈的温度循环作用。如果使用时不留余量，则外部电流等因素将使管子烧毁。经验表明，管子的可靠性是随温度升高而按指数规律下降的（温度每升高10℃，可靠性大约降低50%）。为提高晶体管的可靠性，除需要降低热阻和功率分布合理以外，还需要使晶体管在失配情况下强行饱和以限制峰值电流容量的能力。现在我们一般都选用场效应管。结型场效应管是利用电场对半导体电阻的影响而获得电流控制能力，改变反向偏置的P-N结上的电压，就能改变P-N结的的空间电参考层，而空间电荷层是一个耗尽层，几乎不能导电，因此改变P-N结的反向偏置电压就能改变半导体区域的截面积，从而控制通过