微带功率放大器振荡分析

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一、引言
由于固态半导体器件的飞速发展和制造工艺的日臻完善，微波功率晶体管与微带电路技术相结合，构成微带功率放大器，开创了微波发射机固态化和小型化的新途径。
微带晶体管放大器具有许多公认的优点：噪声低、频带宽、相位线性度好、动态范围大、效率高、级联方便、稳定可靠、寿命长、供电简单、体积小、重量轻、适合批量生产等等。在某些领域，已对原占有垄断地位的微波真空电子管放大器构成竞争，并有逐渐替代之势。微带功率晶体管放大器是微波晶体管放大器的主要形式，正是因为上述的众多优点，已广泛应用在现代雷达的各种类型的固态发射机中。
由于单个微波晶体管的功率较小，必须采取多级级联的方式得到较大的输出功能，也就是说在一部固态发射机中微波功率晶体管所用数量较多，而且微波功率晶体管为核心器件，价格昂贵，它可以被称之谓发射机的“心脏”。让它可靠稳定地工作也就成了设计师最关心的一个问题。由它组成的微带功率放大器在实际工作中常出现寄生振荡现象，影响放大器正常工作，甚至造成微波功率晶体管的永久性损坏。本文对产生寄生振荡的原因作了较系统的阐述，并提出了一些相应的消除寄生振荡的措施，从而使放大器更稳定可靠地工作。
二、微带功率管放大器中振荡的危害
由于场效应管和双极晶体管在不同微波频段的输入、输出阻抗的差异，根据其匹配电路设计的难度，两者的应用频段有所不同，在4-30GHZ范围内，砷化镓场效应管将成为主要的微波功率源，而在4GHZ以下的频率范围内，主要的微波功率源就是双极晶体管。从目前微波半导体技术及固态功率合成技术来看，S波段以下微波双极晶体管应用较为广泛。本文讨论的主要是微波双极晶体管。
微波功率晶体管在正常运用下，极限参数的富余量是不大的。因此在使用过程中，如出现超过极限参数的情况，就有可能使放大器的性能大大降低，甚至烧坏晶体管。烧管的原因有以下几种：过激励、电源纹波、驻波过大、强干扰、过热等。过激励、电源纹波过大可能会引发微波功率管自激，驻波过大会导致微波功率管过压或自激，外界强干扰可能会引起微波功率管自激振荡以至过流，局部过热也会引起寄生振荡。轻微的振荡使放大器工作不稳定，影响发射机的工作，严重时将导致晶体管的二次击穿或过热，晶体管因此而失效。可见寄生振荡是损坏微波功率管最直接的原因。
寄生振荡是附加在所需信号上一种不希望产生的振荡，或称为自激振荡。一旦微带晶体管放大器产生寄生振荡，它们的性能就会受到严重破坏，甚至损坏。我们先看看产生寄生振荡的原理：
微波功率晶体管及其外围电路总是可以等效为LCR组成的谐振回路，当电
路刚接通电源时，或者在工作时，谐振回路各部分可能存在各种电的扰动，这些电的扰动可能是接通电源瞬间引起的电流突变，也可能是管子和回路的内部噪声，它们的频谱中包含有ω的分量(ω近似等于谐振回路的谐振角频率ω0)，当这些微小的扰动电流或扰动电压作用于主网络输入端时，由于谐振回路的选频作用放大器对接近于ω0的分量有较大的放大量，因此这个分量在谐振回路两端产生的电压较大，通过反馈回路再加到主网络的输入端，如果该电压与主网络原先的输入电压同相，构成正反馈并且具有更大的振幅，则经过放大和反馈的反复循环，电压振幅就会不断地增长，由此起振。
寄生振荡分为低频振荡、参数振荡、负阻振荡等，下面从这几种寄生振荡的类型对微带晶体管放大器产生寄生振荡的原因作一分析：
三、低频振荡
当晶体管的增益是随着频率的降低以每倍频程约（3-5）dB的比例增加，特别在单级放大器中，当由于某种原因形成低频谐振电路时，便有可能引起低频寄生振荡。大致有下列几种原因：
1、        热反馈效应
结温对于功率晶体管的可靠性有极其严重的影响。随着结温的升高，器件
的失效率呈指数上升，理论及实践表明：结温降低10-12℃，器件平均失效时间将延长一倍，每降低50℃，则将提高一个数量级，当外界温度较高，致使晶体管内部温度超过允许的最高结温200℃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。热反馈效应指的是在较高温度下硅片的本征激发大大增加，从而影响杂散发射少子的运动失常，这时晶体管不在额定工作状态，极可能引起寄生振荡。热反馈效应产生的低频振荡可通过良好的散热设计消除。
2、电源馈电网络
电源的馈电网络应该看成微波功率晶体管输出匹配电路的一部分，其分布参数将影响功率管的工作状态。当电源去耦不良时，外界一个微小的干扰就可能引起微波晶体管自激振荡，或者电源的纹波过大，有可能引起功率管负载特性的变化而导致自激振荡。前者可以通过采用电解电容，穿心电容及微波电容等各种电容在整个频率范围内进行良好滤波来消除寄生振荡，后者可以用恰当改变直流馈电点和馈电线的位置等方式来消除寄生振荡。
3、耦合场的外回馈
一个功率管输出端泄漏高频信号常常通过空间或极间电容Cec或Cbc耦合到输入端，组件是由多个功率管级联而成，末级管子泄漏的微波信号可能会耦合到前级功率管的输入端，当组件的增益较高时，输出的耦合信号与输入信号幅度可比，当两者相位相近时，构成正反馈，产生自激振荡。这种现象可以通过适当的元件配置、屏蔽和加入去耦电路来减小或消除。
多级放大器中，由于级间匹配电路的输入端和输出端都是与相邻放大器的I/O端相连，而功率管的I/O 阻抗是随功率电平变化的一个值。因此在级间匹配电路很难实现全频带的良好匹配，在某些频率点前后级产生失配，这样就比单级放大器更容易产生寄生振荡。可通过降低放大器各级回路的Q值来克服。
4、晶体管极间电容Cbc的内反馈
对于共发工作方式的放大器，极间电容特别是集电极-基极间的电容Cbc是反馈元件，会给放大器带来正反馈，将恶化管子的高频性能并引起寄生振荡。为了尽量减小Cbc的影响，应当选用截止频率高，功率容量尽量低（只要满足实际需要）的晶体管。
低频振荡是在调试过程中烧毁晶体管的主要原因之一。在电路设计时，应当使功率晶体管在工作频率上具有最佳匹配负载而在低频范围内具有近于短路的负载特性，这对于抑制低频振荡是有利的。
多数低频寄生振荡电路是由谐振回路中的扼流圈和隔直流或旁路电路所构成，在可能的情况下，力求减少扼流圈的个数，并适当选择扼流圈的电感量和隔直流或旁路电容的电容量，或扼流圈中串接小电阻或并接大电阻来增加寄生振荡回路损耗等来达到降低振荡回路的Q值都可以破坏寄生振荡条件。
具体而言，消除低频振荡的措施，还有下列几条：
a、        降低射频扼流圈的Q值。对于共基极工作方式的放大器，晶体管的输
入端（发射结）在低频时呈现相当大的容抗，即晶体管的输入阻抗随着频率的下降而呈容性，这个电容容易和基极馈电扼流圈形成谐振电路并在晶体管增益大的低频范围内引起振荡。为了防止振荡，可采取降低谐振电路Q值的方法，例如在1KΩ左右的固定电阻上绕柒包线作成扼流圈；或者在扼流圈上串联几欧到十几欧的固定电阻，前者是增加回路损耗来防止寄生振荡的，后者则是加一定的负偏压让放大器工作在丙类状态，使激励功率未到来之前集电极电路内无电流流通，从而减少了产生振荡的可能性。串联电阻构成电流负反馈，从而提高了稳定性。
b、        减少射频扼流圈的电感量。最好将集电极直流馈电的扼流圈作为输出电
路的一部分，就是说，在计算输出匹配电路时，把馈电扼流圈考虑在输出匹配电路中，它既作为输出电路的一部分，又作为馈电扼流圈来使用。显而易见，这时该电感的数值将会比只作扼流圈时小得多，这样在低频时电抗也就更小，从而降低了低频增益，使低频振荡不易发生，有助于稳定性的提高。对基极馈电扼流圈，也同样可用减少其电感量的方法来防止寄生振荡的产生。如果扼流圈用微带线来实现，由于微带线的电感量较低，这也能达到防止寄生振荡的目的。减少扼流圈电感量的前提是保证匹配电路正常工作。
c、加装电容器。使它们对高频和低频分别能起到旁路作用。即在集电极电源Vcc的接入端口，不仅要对工作频率进行有效旁路，而且要对低频进行有效旁路。换句话说，在电源的接入端口处，除接入1/4波长开路线的微带电容外，尚需接入几到几十微微法的被银云母电容、几千微微法的穿心电容和几微法的电解电容器。如果发射极接有自偏压电阻时，也应接入对高频和低频都能有效旁路的电容器。应当指出，在Vcc（如需外接偏压Vbe时也一样）接入端并联各电容器，是为了对电源的去耦。而在发射极自偏压电阻上并联各电容器，则主要是为消除输入、输出两电路之间的耦合。无论是对电源的去耦或是去除输入、输出两电路间的耦合，都是为了消除电路的寄生振荡。
d、 屏蔽。在一级放大器的输入电路和输出电路之间加上屏蔽板，以防止两电路之间的静电耦合和电磁耦合。同时。整个放大器也要屏蔽起来以防止外部感应。在安装多级放大器时，也要象单级放大器那样，不仅要屏蔽各级放大器的输入、输出电路，而且各级放大器之间也要可靠的屏蔽以及整个放大链和外部的屏蔽。
e、使用时降低额定功率。特别是对多级放大器来说，为了达到稳定工作，必须适当降低晶体管的增益和输出功率的额定值，这可通过降低各回路的Q值来实现。实验还发现，在降低额定功率使用的同时，也降低了谐波功率的含量。
四、参量振荡
为了保护管芯免遭机械损伤，以及防潮防尘等考虑，晶体管总是需要封装的。封装不可避免地要引入寄生参量（寄生电感、寄生电容和各种损耗），如图1所示。这些寄生参量的变化有可能引起晶体管的振荡，称为参量振荡。参量振荡往往为高频振荡，它对于微波功率晶体管的性能有重大影响，甚至会破坏已制成的管芯的良好性能。
      图1 管壳寄生参量示意图                 图2  Cbc-Uec曲线

1、晶体管极间电容Cbc的影响
由于晶体管工作于大信号的非线性状态。其分布参量（β、fT、Cec 及Cbc等）将随各电极电压而变化，有可能引起参量振荡。其中特别是Cbc影响显著，其变化曲线如图2所示。
当集电极输出电压增加时，它是按非线性规律减小的。由于Cbc的非线性特
性，当晶体管工作于输出特性曲线的临界线附近时（图3的A区），若Cbc减小，则集电极回路必呈感性。这时反映在输入端就出现一个负电阻。于是就有可能产生自激振荡。分析表明：这种参量振荡的振荡频率满足下式ω=1/2*nωi,         式中ωi代表输入基频，ω代表参量振荡频率，n为正数。其中，最容易产生的    振荡频率是 ω=1/2ωi(即1/2 基频)，因此为了消除这种振荡，输入输出电路不应调谐在1/2基频上。由于Cbc随着集电极输出电压的增加而非线性地减小会引起参量振荡，为了防止这类振荡，常常适当降低集电极电压VCC和避免使晶体管处于过激励状态。同样过激励时会引起功率管负载特性的变化而导致振荡。








图3 输出特性曲线               图4发射线引线电感的影响

2 、发射极引线电感的影响
发射极引线电感对晶体管工作性能有较大影响,如图4所示。由于引线电感Le的存在，共发射电路输入阻抗增加了vL/ib,由数学推导可得vL/ib=ωTLe+jωLe。可见，发射极引线电感Le的存在使输入阻抗实部增加了ωTLe,而变成（rbb’+ωTLe）,这使输入损耗增加，功率增益下降。同时，jωLe分量使晶体管的极间电容产生有害的正反馈更为严重，从而可能引起寄生振荡。
现在所用的微波功率双极晶体管，集电极与管壳绝缘，而发射极或基极与管壳连通，可使发射极或基极的引线电感大大降低，但是在安装时造成微波功率管接地不良或虚焊，同样可能造成寄生振荡。所以在加工时要求微波功率管管壳、引线以及安装槽要清洗干净，避免有异物的存在。电焊要求良好，功率晶体管安装在微带介质板上，当介质板的介电常数分布不均匀或接地平面不能保证接地良好（其间有气泡、杂质等）时，都有可能增加引线电感或元件间的分布电容，从而引发寄生振荡或因输出端的驻波过大而损坏微波功率管。因此不仅要筛选优质微带介质板而且要在工艺上严格保证接地良好。
一般超高频寄生振荡电路是振荡电路中的极间电容、元件分布参数（如引
线电感）所构成。其中元件的分布参数往往会在频率很高时改变元件的性质，例如：大容量的电容器会变成电感器，电感线圈会变成电容器。因此，消除超高频寄生振荡的措施是：采用短而粗的引线，以减小引线电感，放大管的基极、发射极或集电极上串接小的无感电阻，以破坏起振条件，隔直流或旁路的大电容上并接几百pF的小电容，以便在超高频段仍可将它看作短路元件。
五、负阻振荡
将具有负阻特性的器件接到谐振回路中，将会抵消回路中的损耗电阻，从
而产生的持续振荡为负阻振荡。由晶体管的渡越时间效应和雪崩击穿特性效应产生的负阻特性而引起的高频振荡就是负阻振荡。前者是由于基区少子向集电极扩散有滞后现象，当发射极电压逐渐降低时有可能引起振荡，它由器件本身特性所决定，所以较难克服。后者是因为雪崩击穿时发射极电压、电流成反比关系，具有负阻特性可能引起振荡，可通过适当选择工作点，使晶体管不要工作在大电流、高电压区域内。在调试过程中，经常出现因负载失谐而产生很大驻波的现象，这往往使功率晶体管发生雪崩击穿而进入二次击穿使器件烧毁。这时须在晶体管的输入、输出端增设隔离器来保护晶体管。从本质上讲，所有正反馈引起的振荡就是一种负阻振荡。
六、结束语
寄生振荡的现象及其产生的原因是十分复杂的，只有将原因分析清楚，才能对症下药地采取相应的措施将它们抑制掉，从振荡原理来看，各种抑制寄生振荡的措施无非是破坏它们的振荡条件。不过，实际情况是复杂的，要找到产生某种寄生振荡的真实原因是十分困难的，我们只能从产生寄生振荡的几种可能性逐一下手解决。
本文对引发微带功率放大器寄生振荡的各种原因定性地作了分析，并指出相应的消除寄生振荡的各种措施，对工程设计具有一定的指导作用。当然，进行定量分析是较为困难的。如果能得到各种条件下功率晶体管的不同数学模型，借助ADS等微波分析软件可较为直观地分析产生寄生振荡的机理，这必经建立在具备相当的微波半导体器件理论基础之上。
参考文献