廣播電視固態(tài)發(fā)射機(jī)場(chǎng)效應(yīng)功率管故障探討

余小洪張 雪

（作者單位：1.貴州新聞出版廣播電影電視局764臺(tái)；2.貴州新聞出版廣播電影電視局706臺(tái)）

廣播電視固態(tài)發(fā)射機(jī)場(chǎng)效應(yīng)功率管故障探討

余小洪1張 雪2

（作者單位：1.貴州新聞出版廣播電影電視局764臺(tái)；2.貴州新聞出版廣播電影電視局706臺(tái)）

摘 要：在廣播電視傳輸方式中，固態(tài)發(fā)射機(jī)在當(dāng)代廣播電視傳輸過(guò)程中有著重要的地位，在固態(tài)發(fā)射機(jī)中放大器是發(fā)射機(jī)的重要組成部分，目前固態(tài)發(fā)射機(jī)所使用的功率器件均以場(chǎng)效應(yīng)管作為放大管，所以場(chǎng)效應(yīng)管長(zhǎng)期處于高電壓、大電流、高溫等條件下工作運(yùn)行。在實(shí)際工作中場(chǎng)效應(yīng)管的損壞率比較高，因此探討場(chǎng)效應(yīng)管在廣播電視發(fā)射機(jī)運(yùn)行工作中發(fā)生損壞的規(guī)律有益于提高我們的工作效率。

關(guān)鍵詞：廣播電視；發(fā)射機(jī)；放大器；場(chǎng)效應(yīng)管

隨著我國(guó)廣播電視事業(yè)的飛速發(fā)展，廣播電視設(shè)備也同步得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。各級(jí)電臺(tái)電視臺(tái)正在逐步以全固態(tài)發(fā)射機(jī)更新替代真空電子管發(fā)射機(jī)，全固態(tài)發(fā)射機(jī)相對(duì)于電子真空管發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)，具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。新器件的不斷出現(xiàn)，新的技術(shù)不斷被掌握和應(yīng)用于各個(gè)不同的行業(yè)和產(chǎn)品，推陳出新、日新月異是當(dāng)代電子科技發(fā)展展示其具有旺盛的生命力的時(shí)代。在長(zhǎng)期的實(shí)踐工作過(guò)程中，一線的技術(shù)工作者，對(duì)固態(tài)發(fā)射機(jī)的核心器件——場(chǎng)效應(yīng)管，也從陌生、認(rèn)識(shí)、了解到掌握的過(guò)程。

由于廣播電視發(fā)射機(jī)的生產(chǎn)廠家較多，場(chǎng)效應(yīng)功率管在各種廣播電視發(fā)射機(jī)功率放大器的設(shè)計(jì)、使用和調(diào)試方法各有不同，為了便于在設(shè)備管理和維護(hù)工作中能快速、準(zhǔn)確、高效把本職工作做好，現(xiàn)將多年的工作總結(jié)和工作積累進(jìn)行了一點(diǎn)粗淺歸納，呈現(xiàn)給從事廣播電視、熱愛(ài)廣播電視的同行共勉。

固態(tài)廣播電視發(fā)射機(jī)功率放大器的整體工作原理均大同小異，發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)雖然有所不同，但是從發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)方框圖也可深入淺出歸納眾多廣播電視發(fā)射機(jī)具有的共同點(diǎn)，那就是該功率放大器件即場(chǎng)效應(yīng)管。場(chǎng)效應(yīng)管有以下特點(diǎn)：輸入、輸出阻抗高，容易實(shí)現(xiàn)寬帶匹配；功率增益高，輸出功率大，所需推動(dòng)功率較小，容易實(shí)現(xiàn)功率控制；漏源擊穿電壓高，對(duì)安全可靠工作有利；正向跨導(dǎo)較大，且跨導(dǎo)的線性好；通頻帶寬，高頻特性好；具有負(fù)溫度參數(shù)，溫度穩(wěn)定性好；低的導(dǎo)通電阻Ron，既能提高最大輸出功率，又能保持較低的耗散功率；輸入、輸出間的反饋電容小，線路便于設(shè)計(jì)和調(diào)整。

場(chǎng)效應(yīng)管由于具有諸多優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于廣播電視發(fā)射機(jī)。

1 廣播電視發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)

發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)方框圖如圖1。從圖1可以看出功率場(chǎng)效應(yīng)管主要用于激勵(lì)器和放大器作為功率放大。在實(shí)際工作中激勵(lì)器由于長(zhǎng)期工作在小功率輸出狀態(tài)，且保護(hù)功能比較完備，功率放大管損壞的幾率比較小，在本文中主要討論放大器所用場(chǎng)效應(yīng)管在大功率工作運(yùn)行中損壞的成因。

2 發(fā)射機(jī)各組成部分對(duì)放大器場(chǎng)效應(yīng)管的作用和危害

2.1 激勵(lì)器

激勵(lì)器是發(fā)射機(jī)的音視頻處理和射頻調(diào)制機(jī)構(gòu)。在我國(guó)廣播電視系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的功率等級(jí)有多種級(jí)別，包括200 kW、50 kW、20 kW、10 kW、3 kW、1 kW、300W、100W等多種等級(jí)。因此激勵(lì)器的指標(biāo)要求也有不同，工作穩(wěn)定性要求也有差異。從目前廣播電視發(fā)射機(jī)配置情況來(lái)看，大功率輸出發(fā)射機(jī)對(duì)激勵(lì)器工作指標(biāo)要求較高，對(duì)工作穩(wěn)定性要求較嚴(yán)格，這樣的要求會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)質(zhì)量有保障，也對(duì)后級(jí)功率放大器的場(chǎng)效應(yīng)管的工作穩(wěn)定有保障。如果激勵(lì)器的工作不穩(wěn)定，就會(huì)使激勵(lì)器的輸出功率過(guò)大，會(huì)造成“過(guò)激勵(lì)”，給后級(jí)放大器場(chǎng)效應(yīng)管柵極輸入較大的功率，使場(chǎng)效應(yīng)管的漏源級(jí)電流過(guò)大，場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)溫急劇上升，致使場(chǎng)效應(yīng)管損壞。

圖1　發(fā)射機(jī)組成結(jié)構(gòu)方框圖

2.2 放大器輸入網(wǎng)絡(luò)

放大器輸入網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)信號(hào)通道，具有將有用信號(hào)低損耗通過(guò)，將對(duì)無(wú)用信號(hào)起到抑制通過(guò)的作用。輸入網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)要求比較嚴(yán)格，根據(jù)目前廣播電視發(fā)射機(jī)的輸入網(wǎng)絡(luò)使用情況來(lái)看，大量使用微帶傳輸線的結(jié)構(gòu)作為輸入網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)射機(jī)實(shí)際工作中輸入網(wǎng)絡(luò)應(yīng)處于諧振和匹配良好的狀態(tài)。由于該網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、使用元器件數(shù)量少、易調(diào)整、

故障率低等特點(diǎn)，被廣大生產(chǎn)廠家所采用。但是由于輸入網(wǎng)絡(luò)中采用到電感、電容、電阻等元器件，在長(zhǎng)期運(yùn)行工作和檢修維護(hù)工作中，電感、電容、電阻的參數(shù)將有變化，這些變化會(huì)使輸入網(wǎng)絡(luò)的諧振狀態(tài)產(chǎn)生變化，使輸入網(wǎng)絡(luò)的匹配狀態(tài)產(chǎn)生失配，在嚴(yán)重的情況下輸入網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生“自激”，“自激”會(huì)使放大器的場(chǎng)效應(yīng)管柵極獲得破壞性的激勵(lì)，這種破壞性的激勵(lì)會(huì)造成：（1）場(chǎng)效應(yīng)管在“自激”信號(hào)的作用下，使場(chǎng)效應(yīng)管柵極電壓瞬間升高，當(dāng)柵源電壓VGS超過(guò)額定值將場(chǎng)效應(yīng)管柵源級(jí)擊穿；（2）由于過(guò)大的“自激”信號(hào)輸入到場(chǎng)效應(yīng)管柵極，漏源級(jí)間電流過(guò)大，漏源級(jí)結(jié)溫急劇升高，場(chǎng)效應(yīng)管將在瞬間被損壞。

2.3 放大器

放大器是發(fā)射機(jī)的核心組成部分，是傳輸有用信號(hào)通過(guò)和放大的電路，是功率器件。在我國(guó)廣播電視系統(tǒng)組成的傳輸系統(tǒng)中，由于規(guī)劃設(shè)計(jì)的服務(wù)范圍和覆蓋范圍大小不同，成套設(shè)備中放大器的設(shè)計(jì)方案也不同。發(fā)射機(jī)從幾十瓦到幾百個(gè)千瓦的功率等級(jí)都有放大器，因此放大器的組成方式和方法也不同。以目前常用的場(chǎng)效應(yīng)管的輸出功率來(lái)看，場(chǎng)效應(yīng)管單管輸出功率從100~1000W均有涉及，比如飛利浦公司生產(chǎn)的BLF系列（如BLF177、BLF278、BLF861等）和摩托羅拉公司生產(chǎn)的MRF系列（如MRF151）場(chǎng)效應(yīng)管，這些場(chǎng)效應(yīng)管在功率放大器中均有應(yīng)用，其技術(shù)參數(shù)也不同，如BLF278的技術(shù)參數(shù)如表1、表2、表3所示。

從表1、表2、表3可以看到場(chǎng)效應(yīng)管的性能參數(shù)、極限參數(shù)、特性參數(shù)數(shù)值的大小。同理其他型號(hào)的場(chǎng)效應(yīng)管也同樣具有各自的性能參數(shù)、極限參數(shù)、特性參數(shù)。這些參數(shù)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管起到破壞作用的有柵源電壓VGS、漏源電壓VDS、漏電流ID?，F(xiàn)舉一例放大器來(lái)說(shuō)明柵源電壓VGS、漏源電壓VDS、漏電流ID對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管損壞的實(shí)例。比如FM301-Ⅳ型全固態(tài)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器原理圖如圖2所示。

表1　BLF278的RF性能參數(shù)（推挽共源連接，250C條件下）

表2　BLF278的極限參數(shù)

表3　BLF278的特性參數(shù)

圖2　末級(jí)功率放大器原理圖

從圖2可知，場(chǎng)效應(yīng)管V的柵極電壓由+12V經(jīng)調(diào)整P1電位器與R14分壓后給與提供。當(dāng)放大器經(jīng)多年運(yùn)行后，P1出現(xiàn)接觸不良或內(nèi)部觸點(diǎn)與R14的路徑斷開(kāi)，+12V電源直接向場(chǎng)效應(yīng)管柵極提供偏置電壓，造成場(chǎng)效應(yīng)管漏電流ID過(guò)大，這樣場(chǎng)效應(yīng)管因ID過(guò)大使結(jié)溫Tj超過(guò)極限溫度而損壞。

當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管正常輸出功率后，由于輸出網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)開(kāi)路，那么放大器輸出網(wǎng)絡(luò)將出現(xiàn)高駐波，輸出網(wǎng)絡(luò)的諧振和匹配完全失諧和失匹，反射功率以反射波的形式在場(chǎng)效應(yīng)管和輸出網(wǎng)絡(luò)中消耗；如果反射波的峰值電壓超過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管漏源擊穿電壓VDSS，場(chǎng)效應(yīng)管將損壞。同理，當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)管正常輸出功率后，由于輸出網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)短路，那么放大器輸出網(wǎng)絡(luò)同樣出現(xiàn)高駐波，輸出網(wǎng)絡(luò)的諧振和匹配完全失諧和失匹，反射功率以反射波的形式同樣在場(chǎng)效應(yīng)管和輸出網(wǎng)絡(luò)中消耗，反射波的峰值電壓超過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管漏源擊穿電壓VDSS，場(chǎng)效應(yīng)管將損壞。

場(chǎng)效應(yīng)管在運(yùn)行多年后，其增益會(huì)降低，為了發(fā)射機(jī)各個(gè)放大器輸出功率獲得平衡，在場(chǎng)效應(yīng)管沒(méi)有完全損壞的情況下，為了增大場(chǎng)效應(yīng)管的輸出功率，只有加大場(chǎng)效應(yīng)管柵極的偏置電壓才能獲得更高的輸出功率，這樣會(huì)進(jìn)一步加速場(chǎng)效應(yīng)管的老化程度，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，場(chǎng)效應(yīng)管將出現(xiàn)自然損壞。

2.4 輸出網(wǎng)絡(luò)

輸出網(wǎng)絡(luò)在放大器中，也具有輸入網(wǎng)絡(luò)同樣的作用和結(jié)構(gòu)，所不同的是，輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓β时容斎刖W(wǎng)絡(luò)大，即網(wǎng)絡(luò)中的電流和電壓比輸入網(wǎng)絡(luò)大；在失諧和失配的情況下，對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管的危害同樣要嚴(yán)重。以上已描述，這里就不

再重復(fù)。

2.5 負(fù)載

負(fù)載是廣播電視系統(tǒng)發(fā)射機(jī)的終端，具有將發(fā)射機(jī)輸出的功率消耗和將發(fā)射機(jī)輸出功率以電磁波的形式傳輸出去。當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)高駐波，反射波也會(huì)通過(guò)輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綀?chǎng)效應(yīng)管的漏極；當(dāng)反射波的峰值電壓超過(guò)漏源擊穿電壓VDSS，場(chǎng)效應(yīng)管將損壞。

2.6 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在發(fā)射機(jī)運(yùn)行過(guò)程中起到關(guān)停和保護(hù)發(fā)射機(jī)的作用。本文主要討論場(chǎng)效應(yīng)管的損壞的成因，所以有關(guān)涉及場(chǎng)效應(yīng)管損壞的控制程序。

2.6.1 過(guò)激勵(lì)保護(hù)。由于激勵(lì)器輸出功率過(guò)大，造成末級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管漏源電流過(guò)大，場(chǎng)效應(yīng)管溫度急劇升高，這樣會(huì)使場(chǎng)效應(yīng)管損壞；為避免這種情況發(fā)生，控制系統(tǒng)將關(guān)停激勵(lì)器，但是當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，激勵(lì)器輸出功率過(guò)大，由于沒(méi)有控制系統(tǒng)的保護(hù)，末級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管將出現(xiàn)損壞。

2.6.2 過(guò)溫保護(hù)。由于放大器場(chǎng)工作異?；蚶鋮s系統(tǒng)異常，造成放大器電路板溫度異常升高，控制系統(tǒng)將發(fā)射機(jī)關(guān)停；在放大器場(chǎng)工作異?；蚶鋮s系統(tǒng)異常的情況下，控制系統(tǒng)同樣出現(xiàn)異常，場(chǎng)效應(yīng)管因溫度升高，超過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管的極限結(jié)溫Tj時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)管將損壞。

2.6.3 反射保護(hù)。由于負(fù)載出現(xiàn)高駐波，反射功率大，經(jīng)反射波耦合器耦合得到的反射波，經(jīng)檢波起檢波獲得一個(gè)控制信號(hào)，由控制系統(tǒng)將發(fā)射機(jī)關(guān)停；當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)高駐波時(shí)耦合器失效或檢波器失效后，控制系統(tǒng)不能將發(fā)射機(jī)關(guān)停，最終反射波經(jīng)輸出網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綀?chǎng)效應(yīng)管漏極，造成場(chǎng)效應(yīng)管損壞。

總之，本文通過(guò)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管在全固態(tài)廣播電視發(fā)射機(jī)中的作用，以及放大器所用場(chǎng)效應(yīng)管在大功率工作運(yùn)作中的損壞成因作了進(jìn)一步的分析，所以，場(chǎng)效應(yīng)管在廣播電視發(fā)射機(jī)中具有廣泛的應(yīng)用，起到很重要的作用。

作者簡(jiǎn)介：余小洪（1967-），男，貴州凱里人，工程師。研究方向：機(jī)房技術(shù)。張雪（1968-），女，貴州臺(tái)江人，工程師。研究方向：機(jī)房工作。