通過脈沖調制功率放大器可以有效的調高功率放大器效率并降低系統的散熱需求,本文主要論述當前脈沖調制的各種形式及其優缺點。
一、常用脈寬調制電路
目前常用脈沖調制電路有兩種,一種是通過開關調制輸入射頻信號,使得放大器輸出脈沖功率信號;另一種是通過外部TTL周期信號對放大器進行直接調制控制放大器內部功率管處于工作態或非工作態,實現放大器輸出脈沖功率信號,其中包含漏極調制和柵極調制兩種方式。
1.開關調制
對于小信號的放大電路可以采用開關進行脈沖調制,其典型電路如圖1所示,其輸入為連續波,輸出為調制信號。通過合理的開關及其驅動電路的設計可以實現高速脈沖調制,其具有較高的通斷比。需要注意的是由于放大器在開關關閉的狀態下仍處于工作態,所以對于系統來說其損耗較大,需要注意放大器的散熱設計。另外,若在接受機鏈路設計中采用了開關調制,由于放大器時刻處于工作狀態,其產生的寬頻噪聲會影響接收機的靈敏度。

圖1 開關調制電路
2.放大器直接調制
對于大功率信號一般采用直接脈沖調制電路,其電路示意圖如圖2所示。調制信號經過調制器控制功率放大器的工作狀態,將連續波輸入的射頻信號轉變成調制脈沖信號輸出。由于該調制方法直接改變了放大器的工作狀態,使得輸出信號通斷比高,系統散熱需求小。且相較于開關調制,直接調制可以“強制關閉”放大器,從而降低對接受機系統的影響。直接調制根據調制位置的不同又分為柵極調制和漏極調制。
圖2直接調制放大器電路示意圖
①柵極調制
柵極調制是指通過調制功率放大器管芯的柵極電壓(Vg),改控制放大器工作狀態,改變放大器漏源電流的導通和夾斷,以此調制輸出信號。一般來說,放大器柵極電流較小,通常在mA量級,因此其驅動電路相對容易設計,且可以得到很快的上升和下降沿,整體電路響應時間較快。然而其弊端也比較明顯,當柵極電壓切換到截至區后,漏源電流夾斷,隨著漏極電壓的增大功率放大器工作狀態很容易進入擊穿區導致功放燒毀,風險較大。
②漏極調制
漏極調制是指通過改變放大器管芯漏極電壓狀態,以此實現漏極電流的調制來改變放大器工作狀態。漏極調制屬于電流調制,在放大器正常工作狀態下需要電源提供所需的工作電流,其量級會有幾安培甚至幾十安培,因此需要MOS管來提高脈沖調制器的電流驅動能力。根據MOS管的不同可分為NMOS管調制電路和PMOS管調制電路,兩種電路的結構分別如圖3和圖4所示。
圖3 NMOS管調制電路示意圖 圖4 PMOS管調制電路示意圖
NMOS 管調制電路是采用N 型金屬氧化物半導體( MOS) 作為開關器件,當NMOS 管的柵極電壓超過源極電壓一定值時,MOS 管源漏極導通,功放處于工作狀態; 當柵極電壓等于或小于源極電壓時,MOS 管源漏極截斷,功放處于非工作狀態。一般功放漏極電壓為系統的最高電壓,因此NMOS的驅動電路中必須有升壓電路,這會增加電路設計的復雜度。
PMOS管調制電路的柵極驅動電壓最大值為Vd(漏極電壓值),不需要額外的升壓電路,電路比較簡單,穩定性高,驅動器設計簡單,尺寸小,但相比于NMOS管,PMOS管的內阻大,開斷時間慢。
一般來說,為了滿足漏極調制所需的瞬間大電流,電路會在MOS管電源輸入端設計一個儲能電容,在放大器脈沖停止期間,電源對儲能電容充電,在脈沖工作期間給提供所需驅動電流,這能夠大大降低放大器對外部電源的要求,從而減小脈沖調制放大器的體積,提高功放的整體效率,但需要注意該大電容會影響調制信號的下降沿,在實際應用中選取合適的容值。
上述文章介紹了放大器電源調制的幾種方式及優缺點。表1也總結了三種調制方式的優缺點,讀者可以直觀進行對比選擇合適的調試方案。
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