全固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放管及其應(yīng)用論述

【摘要】 本文簡要論述了全固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)功放管結(jié)構(gòu)、分類、性能以及實(shí)際中的應(yīng)用，了解掌握功放管的存放測量和更換方法，減少末機(jī)功率放大器故障率，進(jìn)一步提高全固態(tài)發(fā)射機(jī)的維護(hù)水平。

【關(guān)鍵詞】場效應(yīng)晶體管;功放管;多赫蒂功率放大器;靜電感應(yīng)電壓

中圖分類號(hào)：TN929? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.12.014

隨著高頻大功率場效應(yīng)晶體管研發(fā)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，廣播電視發(fā)射機(jī)生產(chǎn)廠家開發(fā)研制出了各種功率等級(jí)的全固態(tài)發(fā)射機(jī)。以其效能高、工作電壓低、性能穩(wěn)定、故障率低、體積小、運(yùn)維費(fèi)用低、維護(hù)省時(shí)方便的特點(diǎn)得到了廣泛的使用。在日常的使用維護(hù)中，全固態(tài)發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器是發(fā)射機(jī)的核心部件，以其自身特性，相對故障多，維修量大，而末級(jí)功率放大管即高頻大功率場效應(yīng)晶體管是功率放大器的關(guān)鍵核心器件，是故障的多發(fā)部位，對其熟悉掌握，有利于發(fā)射機(jī)的使用和維護(hù)。

1. 場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)、分類和性能

場效應(yīng)晶體管按其構(gòu)造分為結(jié)型場效應(yīng)晶體管（JFET） 和絕緣柵型場效應(yīng)晶體管（IGFET），按溝道材料分可分為N溝道型和P溝道型。從導(dǎo)電方式來分，又可分為耗盡型和增強(qiáng)型。全固態(tài)發(fā)射機(jī)功率放大器所用的都是絕緣柵增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)晶體管。

絕緣柵型場效應(yīng)管是指金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管MOSEFT，即MOS管，其從制造工藝和不同應(yīng)用上又可分成普通CMOS管、UMOS管、TMOS管、VMOS管、DMOS管、LDMOS管等系列，在廣播電視發(fā)射機(jī)功放中主要應(yīng)用的是早期的大功率垂直擴(kuò)散VMOSFET管和新型超耐用型更適合數(shù)字發(fā)射機(jī)末級(jí)功放使用的橫向擴(kuò)散LDMOSFET管，都是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用由普通MOS管發(fā)展變化的改進(jìn)型。這是絕緣柵增強(qiáng)型N溝道場效應(yīng)管結(jié)構(gòu)圖和電路符號(hào)如圖1：

VMOSFET場效應(yīng)管全稱是垂直擴(kuò)散型金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，金屬柵極采用V型槽結(jié)構(gòu)，簡稱VMOS管或功率場效應(yīng)管，普通MOSFET場效應(yīng)管的柵極、漏極和源極大致處于同一水平面的基板芯片上，其工作電流是按水平方向流動(dòng)的。VMOS管是不同的，其有兩大結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：其一柵極采用V型槽結(jié)構(gòu);其二具有垂直導(dǎo)電性，漏極是從基板芯片的背面引出，所以漏源極間電流不是沿芯片水平流動(dòng)，而是自重?fù)诫sN+區(qū)（源區(qū)S）出發(fā)，經(jīng)P溝道流入輕摻雜N-漂移區(qū)，后垂直向下到達(dá)漏極D。因電流通道截面面積大，可以流通大電流，并且漏極散熱面積大，在采取有效散熱情況下適合大功率情況工作。其性能特點(diǎn)主要有：1）、輸入阻抗高、輸出阻抗低，容易實(shí)現(xiàn)寬帶匹配;2）、增益高，輸出功率大，控制電壓低，容易實(shí)現(xiàn)功率控制;3）、工作電壓低，漏源極間擊穿電壓高，安全系數(shù)大;4）、正向跨導(dǎo)大，線性好;5）、帶寬寬，高頻特性好;6）、具有負(fù)溫度系數(shù)，溫度穩(wěn)定性好;7）、具有低的導(dǎo)通電阻Ron，功耗小效率高;8）、極間無變?nèi)菪?yīng)，應(yīng)用電路便于設(shè)計(jì)和調(diào)整，可以提供大功率輸出，減少末級(jí)功放的功率合成級(jí)數(shù)。在廣播電視發(fā)射機(jī)中常用的型號(hào)有恩智浦NXP公司生產(chǎn)的BLF系列的BLF177、BLF278。MRF系列的MRF148A、MRF151G等。

LDMOSFET全稱是橫向擴(kuò)散金屬氧化物場效應(yīng)晶體管，是一種雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的功率器件，在相同的源/漏區(qū)域?qū)嵤﹥纱紊?、硼注入技術(shù)，經(jīng)高溫推進(jìn)橫向擴(kuò)散形成有濃度梯度的導(dǎo)電溝道。它最初應(yīng)用在無線蜂窩通信中，后在發(fā)射機(jī)中應(yīng)用證明線性好、增益高和效率高，耐用性強(qiáng)，在UFH頻段和數(shù)字發(fā)射機(jī)上應(yīng)用顯示出優(yōu)越的性能。其性能特點(diǎn)有：1）、可以在高駐波比情況下工作;2）、增益高，線性好，有高級(jí)的瞬間峰值功率有利于數(shù)字射頻信號(hào)放大;3）、可以承受大的過驅(qū)動(dòng)功率;4）、偏置電路簡單;5）、工作頻率更高，可以再從幾百M(fèi)Hz到幾GHz的頻率工作，且頻率穩(wěn)定性好;6）、熱穩(wěn)定性好：溫度對LDMOSFET電流有負(fù)反饋?zhàn)饔?，溫度升高可以限制電流的進(jìn)一步提高。7）、更低的反饋電容和噪聲8）、恒定的輸入阻抗，更佳的AGC能力。是新型的超耐用系列功放管，常用的型號(hào)有恩智浦NXP公司生產(chǎn)的BLF系列BLF188XR，BLF888B。MRF系列的MRF6V3090、MRFE6VP8600等。常用的各型號(hào)功率放大場效應(yīng)管的參數(shù)如表1所示。

2. 功率放大場效應(yīng)晶體管的應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)以功放管BLF888B為例介紹一下場效應(yīng)功放管的實(shí)際應(yīng)用。BLF888B是由恩智浦半導(dǎo)體公司制造的雙推挽LDMOSFET功放管，應(yīng)用于新一代分米波數(shù)字發(fā)射機(jī)使用的高效線性大功率多赫蒂（Doherty）功率放大器，采用經(jīng)過熱優(yōu)化的晶體管設(shè)計(jì)，可在極端情況下失配應(yīng)用，達(dá)到最低熱阻（Rth=0.15K/W），在多赫蒂（Doherty）功率放大器配置中使用，具有在UHF波段（470-860）MHZ的大功率級(jí)的高增益性、高耐用性、高效率性的特點(diǎn)。營口廣播電視發(fā)射臺(tái)轉(zhuǎn)播中央地面無線數(shù)字電視節(jié)目使用的是成都新光微波工程有限公司生產(chǎn)的XG300UT-1KD型數(shù)字發(fā)射機(jī)，其末級(jí)功放單元采用雙管BLF888B及其外圍器件組成的120W多赫蒂（Doherty）高效線性功放模塊，再通過逐級(jí)合成構(gòu)成輸出功率1KW功率放大器單元。功放模塊電路原理圖如圖2所示，功放模塊分別由兩只BLF888B管和與之相連的輸入輸出端微帶線平衡/不平衡阻抗匹配電路組成兩個(gè)推挽放大，作為主放大器和峰值放大器，B1是90度混合耦合分配器，它將輸入射頻小信號(hào)進(jìn)行耦合二分配，直通端相位位移-90度連接峰值放大器，耦合端相位位移零度連接主放大器。T1為主放大器，;T2為峰值放大器，C26、R15、C27、V1、C28、R13、R14、R7、R8、R9、R10、C40、R5、R6、R3、R4組成柵極偏置電路，柵壓從漏極50V電源電壓降壓獲取。通過調(diào)節(jié)電位器WR7、WR8 來改變功放管柵極靜態(tài)工作點(diǎn)，使T1工作在AB類狀態(tài)，T2工作在工作在C類工作狀態(tài)。L1、L2、L3、L4、C10、C33阻抗匹配回路，BLF888B功放管輸入輸出端接有微帶線結(jié)構(gòu)的平衡/不平衡轉(zhuǎn)換器，C1-C9、C29-C32補(bǔ)償諧振作用，L5、L6四分之一波長微帶線，阻抗變換器作用。C21、C22等其余元件為漏極電源UDD濾波退藕作用。多赫蒂（Doherty）高效線性功放模塊通過與前級(jí)數(shù)字預(yù)失真技術(shù)配合使用，提升工作線性和效率，并采用導(dǎo)熱性能優(yōu)良的熱承鏟片散熱器，使功放管在輸出120W功率時(shí)i結(jié)溫低于95℃，工作更加穩(wěn)定可靠，使該功放模塊具有高穩(wěn)定性、高增益、高效率、高線性的特點(diǎn)。功放模塊的主要指標(biāo)為頻率響應(yīng)：8MHZ帶寬±0.1db;增益：≥20db;數(shù)字輸出功率：120W;效率≥50%。三個(gè)功放模塊由同相威爾金森三功率合成器合成，組成300W功放單元，四個(gè)300W功放單元經(jīng)過采用典型吉賽爾電路原理，空氣帶狀線設(shè)計(jì)的四功率合成器同相合成輸出，總合成功率超過1200W，構(gòu)成了輸出功率1000 W數(shù)字發(fā)射機(jī)射頻功率放大器單元部分。

3. 功率場效應(yīng)晶體管的使用規(guī)范

3.1 保存和取放

功放管都是N溝道增強(qiáng)型MOS場效應(yīng)晶體管，其輸入阻抗很高，絕緣柵層很薄納米級(jí)，因此靜電感應(yīng)電荷不易釋放掉，從而產(chǎn)生高的靜電感應(yīng)電壓，將輸入端或輸出端造成擊穿短路或開路損壞，而多次較低的靜電電壓放電積累，也容易造成開路短路損壞或出現(xiàn)斷續(xù)的失效或者是性能的退化，還有一些靜電損害會(huì)使泄漏電流增加導(dǎo)致器件性能變壞，因此都應(yīng)按著規(guī)范操作，減少隱患和損失。平時(shí)存儲(chǔ)應(yīng)放在防靜電金屬屏蔽包裝盒或袋內(nèi)，如果沒有屏蔽包裝盒，可以把管子各極短路后再存放，不要放在塑料盒內(nèi)。取放時(shí)要使用絕緣夾接觸管子的陶瓷部分，人員操作時(shí)要戴棉織品手套而不要用尼龍手套或橡膠手套，禁止用手觸及管腳管體。更換下來損壞的MOS管，不要隨意丟棄，大部分都含有氧化鈹陶瓷，氧化鈹有毒，都應(yīng)集中妥善處理。

3.2 檢查測量

小功率管采用單管雙源結(jié)構(gòu)封裝方式，大功率管采用雙管共源連接結(jié)構(gòu)封裝方式構(gòu)成雙管推挽功率管，源極與襯底連接。功率管在使用時(shí)首先要對管子的外觀進(jìn)行檢查，陶瓷部位不能有損傷，其次在保證防靜電要求的情況下對管子進(jìn)行測量以鑒別好壞。以BLF177和BLF278為例介紹一下功放MOSFET管的測量方法。外形圖和符號(hào)圖如圖3、圖4所示。

圖3中1是漏極（D）、2和4是源極（S）、3是柵極（G）。圖4中1和2是漏極（D）、3和4是柵極（G）、5是源極（S）。選用數(shù)字萬用表的PN結(jié)測量檔進(jìn)行測量，測量前檢查一下表電池電量是否充足，表筆連線是否有誤，檔位是否正常使用無誤，按圖3和圖4的數(shù)字標(biāo)法確定管子的極性，將管子放在接地金屬平臺(tái)上，首先將柵源短路放電后，用紅表筆接漏極，黑表筆接源極，此時(shí)表顯示讀數(shù)應(yīng)為小于1千歐，大多為500歐到600歐之間為正常;把紅表筆接源極，黑表筆接漏極，表讀數(shù)顯示為∞歐為正常;紅表筆接?xùn)艠O，黑表筆接源極，表讀數(shù)為∞歐為正常，測完放電;紅表筆接漏極，黑表筆接?xùn)艠O，表讀數(shù)為∞歐為正常，測完放電;將紅表筆接漏極，黑表筆接源極，此時(shí)表讀數(shù)為∞歐，此時(shí)將漏極與柵極短路表讀數(shù)變?yōu)?歐姆，說明管子導(dǎo)通正常。然后把柵極與源極短路此時(shí)表讀數(shù)變?yōu)椤逇W，說明管子的截止正常。通過以上的方法，我們可以測量出管子的好壞。在電路上測量，我們可以焊開極間的連接進(jìn)行測量。

3.3 使用更換

由于MOSFET管柵極的特性，我們在更換管子時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

在安裝管子過程中，首先對人體進(jìn)行靜電放泄，方法是先兩手觸摸地線，特別是在冬天，人體放電更是關(guān)鍵。要帶上棉質(zhì)手套和防靜電金屬手環(huán)，在操作中，不要用手去直接接觸管子，而是用絕緣夾取拿管子。事實(shí)證明，疏忽了這些環(huán)節(jié)，確實(shí)容易造成管子的損壞。

把損壞管子拆除后，用脫脂棉酒精把安裝管子的底座清理干凈，然后把導(dǎo)熱硅脂膏均勻涂抹在底座上注意不要多量，先將源極和地用螺絲固定好，固定管子源極的兩顆螺釘必須要擰緊，保證管子的穩(wěn)固和與散熱片的接觸面完全接觸，避免因管子的松動(dòng)引起的高頻打火損壞管子和散熱不好產(chǎn)生高溫而燒壞管子的現(xiàn)象。

有條件的用熱風(fēng)焊接器焊接或者拔掉烙鐵的電源插頭進(jìn)行焊接，焊接前須要將功放模塊底座散熱片接地，焊頭與底座散熱器短路放電再焊接。最好用50W電烙鐵，在每次焊接中時(shí)間最好不超過5秒，如果需要多次焊接，可以稍做停頓，等管子的溫度稍下降后再焊接，焊接時(shí)注意焊點(diǎn)要飽滿，焊點(diǎn)要鍍錫處理錫層不要過厚，各引腳的焊接順序是源極、柵極、漏極。拆機(jī)時(shí)順序相反。更換后應(yīng)仔細(xì)檢查清理模塊板面，加電調(diào)整柵極靜態(tài)工作點(diǎn)，先將偏置電位器調(diào)至最小，在根據(jù)各發(fā)射機(jī)功放模塊技術(shù)書出廠數(shù)據(jù)和實(shí)際檢測數(shù)據(jù)來調(diào)整到規(guī)定值。

3.4 日常維護(hù)

功放管工作中具有高溫、大功率、大電流的特點(diǎn)，功率放大器與天饋線相連接，受環(huán)境和外界的影響比較大，相對是故障多發(fā)部位。平時(shí)要定期檢查天饋線系統(tǒng)，有無饋管天線固定和接頭松動(dòng)，接頭防水密封損壞等，測量駐波比，保證在1.2以內(nèi)。定期檢查清理冷卻系統(tǒng)，保證冷卻系統(tǒng)運(yùn)行正常。對功率放大模塊的保護(hù)電路：過溫、過激勵(lì)、過功率、高駐波等電路定期檢測，確保功率放大器平穩(wěn)安全工作，以保護(hù)功放管穩(wěn)定使用，通過了解和掌握末級(jí)功放管的性能原理和應(yīng)用，能進(jìn)一步提高發(fā)射機(jī)的維護(hù)水平，減少故障隱患，保障發(fā)射機(jī)安全運(yùn)行播出。

作者簡介：劉宏，營口新聞傳媒中心，工程師，主要從事廣播電視發(fā)射技術(shù)維護(hù)工作。