10kW 發(fā)射機固態(tài)功率放大器的原理與維護

羅 勝

（貴州省廣播電影電視局 七六一臺，貴州 貴陽 550002）

0 概述

隨著射頻半導(dǎo)體技術(shù)和電子科技的不斷發(fā)展，大功率場效應(yīng)管在制造技術(shù)上的突破，固態(tài)功率放大器技術(shù)的成熟，固態(tài)功率放大器具有技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良、穩(wěn)定性高、運行穩(wěn)定可靠、故障率低、維護量小等特點，因此，以固態(tài)功率放大器為主的發(fā)射機已成為當(dāng)今市場的主流設(shè)備。

1 工作原理

10kW 全固態(tài)發(fā)射機都是采用多個固態(tài)功率放大器并聯(lián)進行功率合成達到所需的輸出功率，其固態(tài)功率放大器都采用大功率場效應(yīng)管作固態(tài)功率放大，而場效應(yīng)管的最大輸出功率一般不超過300W，受大功率場效應(yīng)管最大輸出功率的限制，為了達到發(fā)射機額定的輸出功率，必須通過N 個場效應(yīng)管的并聯(lián)進行功率合成，從而達到發(fā)射機所需的輸出功率，實現(xiàn)播出任務(wù)。

在全固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機和米波段全固態(tài)電視發(fā)射機中，其場效應(yīng)管基本采用BLF278 作功率放大，而在分米波段全固態(tài)電視發(fā)射機中，其場效應(yīng)管基本采用BLF861A 作功率放大。因此，BLF278 場效應(yīng)管是全固態(tài)調(diào)頻發(fā)射機和米波段全固態(tài)電視發(fā)射機的主要功率放大器件，只要掌握了BLF278 場效應(yīng)管的性能和其組成的固態(tài)功率放大器的原理，由其它場效應(yīng)管組成的固態(tài)功率放大器的原理也同時得到了解決。

1.1 BLF278 場效應(yīng)管的外形結(jié)構(gòu)和電路符號

BLF278 場效應(yīng)管的外形結(jié)構(gòu)和電路符號如圖1 所示，1、2 腳為漏極D1、D2，3、4 腳為柵極G1、G2，5 腳為源極S。它是一個雙推挽N 溝道增強型的V-MOSFET 場效應(yīng)功放管。把特性完全相同的兩個管芯封裝在同一個底座上，專門用作推挽功率放大提高其輸出功率，兩個管子的源極是通過底座連接在一起的，廣泛地應(yīng)用于全固態(tài)廣播和電視發(fā)射設(shè)備中作功率放大。其特點如下：①它為電壓控制器件，功率增益高；②具有負(fù)的溫度系數(shù)，溫度穩(wěn)定性好；③柵-漏極的反饋電容小，設(shè)計和調(diào)整方便；④輸人、輸出阻抗高，容易實現(xiàn)寬帶匹配；⑤效率高達80%；⑥鍍金層的電極，保證安全可靠。

圖1 BLF278 場效應(yīng)管的外形頂視圖和電路符號

1.2 BLF278 場效應(yīng)管的使用

BLF278 場效應(yīng)管的特點具有熱穩(wěn)定性好、抗負(fù)載失配能力強，為電壓控制器件，以柵極電壓VGS控制漏極電流，正向跨導(dǎo)大，控制能力較強。由于輸入阻抗高，柵極的電流很小，所以要求激勵功率小，功率增益高；但也由于輸入阻抗很高，使得柵極感應(yīng)的電荷不易泄放，由此而產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，很容易造成柵極的絕緣層被擊穿而損壞，所以在使用和保存上述器件時應(yīng)特別注意。

1.2.1 存放和使用

由于場效應(yīng)管的柵極極易受靜電而損壞，所以應(yīng)存放在防靜電的包裝盒內(nèi)，或在各極短路的情況下保存。在取用和安裝過程中，需要用手去拿器件時，必須帶上手套和靜電泄放腕帶，沒有條件的可先用手摸一下地線，把人體上積聚的靜電放掉，以免靜電損壞管子，尤其在冬天干燥的季節(jié)，衣著物因摩擦極易感應(yīng)靜電，應(yīng)特別注意，如沒有防靜電包裝，可把管子各極短路保存。

安裝新管子或是更換時，應(yīng)先把器件安裝在散熱器上，將源極與地良好接觸，然后用防靜電烙鐵或者拔掉電烙鐵的電源插頭焊接，每次焊接的時間最好不超過5 秒，以保證安裝的新管子不被損壞。

還有一點應(yīng)注意，場效應(yīng)管內(nèi)部都含有氧化鈹陶瓷，由于這種材料的散熱效果特別好而被采用，但氧化鈹本身是一種劇毒物質(zhì)，使用者應(yīng)特別注意，切勿用手直接觸摸，更換下的壞管子也不可隨意丟棄，應(yīng)妥善地保管和處理，以防發(fā)生人身意外。

1.2.2 簡單的測量方法

BLF278 場效應(yīng)管的柵源門限電壓在2～4.5V 之間，而柵源的極限電壓±20V，漏源之間在導(dǎo)通狀態(tài)下的直流電阻RDS=0.2～0.3Ω，接近于0Ω。利用這一特點，在測量管子時選用MF500型萬用表，它的×10k 電阻檔內(nèi)部接有9V 電池，正端為紅表筆與電池的負(fù)極連接，負(fù)端為黑表筆接電池的正極，測量時應(yīng)先檢查表筆是否在正確位置。下面介紹測量方法：

（1）正向?qū)y量：首先將紅表筆接在源極S 上，黑表筆接?xùn)艠OG上，此時柵源間的電阻很大，表頭指示不動，柵、源間的輸入電容被正向充電，柵極為正電壓，漏一源應(yīng)該導(dǎo)通，這時紅表筆不動，將黑表筆接在漏極D 上，表頭指示為0Ω，說明漏一源導(dǎo)通。

（2）反向夾斷測量：將黑表筆接源極S 上，紅表筆接?xùn)艠OG 上，由于電阻很大表頭指示不動，柵、源間輸入電容被反向充電，柵極為負(fù)電壓，漏一源被截止，這時將紅表筆接源極S 上，將黑表筆接漏極D 上，表頭指示不動電阻很大，說明管子被夾斷。

通過上述的測量，我們可以判斷功放管是否良好，在調(diào)試和維護功放時，如果要測量管子，可不必焊下來，只將周圍影響測量的元件挑開后即可進行。

1.3 固態(tài)功率放大器的工作類別

放大器的工作狀態(tài)根據(jù)偏置情況和激勵信號幅度可以分為甲類、乙類、丙類等。

場效應(yīng)管的源極s、柵極g、漏極d 分別對應(yīng)于三極管的發(fā)射極e、基極b、集電極c，它們的作用非常相似，因此，晶體管的IC—Ub曲線也可以理解為場效應(yīng)管的ID—UGS曲線，如圖2 所示。對于晶體管(硅管)截止偏壓約為0.7V，對于場效應(yīng)管截止偏壓約為3.5V。

圖2 場效應(yīng)管的ID—UGS曲線

一般以正弦波導(dǎo)通角的一半定義為通角θ。對于甲類放大器，由于靜態(tài)偏置電流大，輸入信號小，所以信號的正負(fù)半周全部360°都導(dǎo)通，θ=180°，其工作電流不隨輸入信號而改變。這種工作狀態(tài)的失真最小、線性最好，增益高、但效率低。

乙類放大器(θ=90°)和丙類放大器(θ＜90°)的靜態(tài)電流都很小或為0，工作電流大小與輸入激勵信號有關(guān)，雖然它們輸出經(jīng)濾波或是調(diào)諧電路以后都是正弦波，但流過功放管的電流只是一個個的余弦脈沖。這種電路的效率最高，但非線性失真大。

介于甲類和乙類放大器（90°＜θ＜180°）之間的還有甲乙類放大器，它兼有甲類和乙類放大器的一些特點。

1.4 BLF278 場效應(yīng)管組成的固態(tài)功率放大器

圖3 BLF278 場效應(yīng)管組成的固態(tài)功率放大器原理圖

圖3 為BLF278 場效應(yīng)管組成的固態(tài)功率放大器原理圖，本電路為常用的場效應(yīng)管推挽功率放大器，也是組成更大功率放大器的基本單元。T1為平衡-不平衡變換變壓器，L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8都是微帶傳輸線，它們和C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和R1組成放大管輸入匹配電路；輸出匹配電路由微帶傳輸線L9、L10、L13、L14、L17、L18、L19、L20和C26、C27、C28、C29、C30、C33、C34組成。L21、L22、L23為輸出端不平衡-平衡變換電路，它是一段微帶傳輸線。L11、L12、L15、L16為直流供電電感與C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25和R8、R9組成直流供電電路。R2、R3、R4、R5、R6、R7、R11和C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C35、C36、C37以及IC1組成偏置電路，調(diào)整R2和R7可以調(diào)節(jié)固態(tài)功率放大器工作點，也就是調(diào)節(jié)固態(tài)功率放大器的工作類別。由于該大功率管是按推挽電路設(shè)計，每半邊管子雖然輪流導(dǎo)通，但總輸出應(yīng)該很接近于正弦波。

1.5 調(diào)頻與電視固態(tài)功率放大器的區(qū)別

談到固態(tài)功率放大器，有些技術(shù)人員會提出圖二中的固態(tài)功率放大器是用于調(diào)頻還是用于電視。其實圖二中的固態(tài)功率放大器受平衡-不平衡變換變壓器和場效應(yīng)管頻率的限制，該電路只能用于調(diào)頻，只要將圖中的平衡-不平衡變換變壓器T1改成微帶線功率分配，就可作為米波段電視信號的固態(tài)功率放大器。

調(diào)頻與電視固態(tài)功率放大器在電路上有什么差別呢？其實調(diào)頻與電視固態(tài)功率放大器在電路上無較大差別。取決于功率放大器是用于調(diào)頻還是用于電視，只要場效應(yīng)管和其它器件的頻率特性滿足要求，主要還是要看固態(tài)功率放大器的工作類別。其工作類別由場效應(yīng)管的柵極對地電壓進行控制，當(dāng)固態(tài)功率放大器用于調(diào)頻時，在漏極工作電壓VD 為48V時，其BLF278 場效應(yīng)管的柵極對地電壓VGS=2.6～3.2V 之間；當(dāng)固態(tài)功率放大器用于電視時，在漏極工作電壓VD為48V時，其BLF278 場效應(yīng)管的柵極對地電壓VGS=3.3～4.5V 之間。

調(diào)頻和電視信號在調(diào)制方式上的差異，固態(tài)功率放大器工作類別的選擇就有所不同。由于調(diào)頻信號的調(diào)制方式為調(diào)頻，調(diào)頻信號容許幅度非線性失真，所以調(diào)頻固態(tài)功率放大器采用了效率最高的丙類放大器；而電視信號的調(diào)制方式為調(diào)幅，調(diào)幅信號不容許幅度非線性失真，所以電視固態(tài)功率放大器采用了線性好、增益高、但效率低的甲類或甲乙類放大器。這就是調(diào)頻和電視固態(tài)功率放大器工作類別不同的原因所在。

2 小結(jié)

本文通過對組成10kW 全固態(tài)發(fā)射機最常用的BLF278 場效應(yīng)管的工作原理、使用方法、注意事項和其組成的最基本的固態(tài)功率放大器的性能、原理以及調(diào)頻與電視固態(tài)功率放大器在電路上的差別等等都進行了全面而詳細地論述與介紹。因此，需要告誡同行在檢修功率放大器和應(yīng)用場效應(yīng)管時，一定要嚴(yán)格按照場效應(yīng)管的參數(shù)進行檢修和操作，避免造成不必要的損失。