Проектирование цепей для смещения базы и питание коллектора транзисторных ВЧ усилителей мощности - Parts 3

Часть 3: Смещение транзисторов, механические аспекты конструкции и многое другое. С завершением этой серии статей экспериментатор может приступить к самостоятельной разработке своих схем.

Автор: Ричард К. Олсен, N6NR

В частях 1 и 2 этой статьи мы рассмотрели как построить графики на диаграмме Смита и определить уровень трансформации обеспечиваемой индуктивностями, конденсаторами и микрополосковыми линиями. На практическом примере мы спроектировали входную и выходную цепи для твердотельного усилителя на 450 MHz. Последним шагом при создании схемы усилителя будет выбор метода смещения транзистора. Существует множество способов это сделать но основная цель заключается в том чтобы подать постоянное напряжение на транзистор не влияя при этом на его ВЧ характеристики. Цепи смещения должны иметь низкое сопротивление для постоянного тока и высокое для ВЧ сигналов.

Метод подачи напряжения питания на коллектор Vcc показан на рисунке 22. В точке выхода коллектора ВЧ сигналы сначала видят большую индуктивную реактивность. Величина этой реактивности должна быть как минимум в 10 раз больше значения ZOL транзистора на самой низкой рабочей частоте (В других источниках например NXP рекомендует выбирать импеданс дросселя в 5-25раз больше чем ZOL). На частоте 420 Mhz (ZOL = 3.5-j2.5 для MRF618, 10x3.5=35Ohm) это соответствует индуктивной реактивности примерно 35 Ohm что эквивалентно индуктивности около 12.5 nH. Также важно следить за тем чтобы индуктор не становился саморезонансным на рабочей частоте или около нее. Чем выше частота тем больше влияние межвитковой емкости. Эта емкость в сочетании с индуктивностью дросселя может вызвать резонанс в цепи питания Vcc.

Диаметр провода также должен быть достаточно большим чтобы избежать значительных потерь постоянного напряжения при пиковых токах. В этой цепи используется четыре витка эмалированного провода диаметром 1mm с внутренним диаметром 6.3mm. Это примерно 25 nH или 70 Ohm.

Конденсаторы которые используются для шунтирования низкочастотных компонентов возвращающихся к источнику питания предотвращают появление паразитных колебаний и помех в соседних каналах. Мы будем использовать конденсатор 0.1 uF за которым следует проходной конденсатор 620 pF и танталовый конденсатор 1 uF.

База транзистора также должна поддерживаться на фиксированном уровне постоянного напряжения. Эти же принципы применяются и к усилителям классов C, B, AB и A. На рисунке 23 показаны два способа смещения транзистора в усилителе класса C. Для более высокого импеданса на ВЧ сигналах используется дроссель с ферритовым сердечником который дополнительно подавляет ВЧ сигналы проходящие через дроссель за счет межвитковой емкости. Слишком низкий импеданс в этой цепи может серьезно ухудшить общие характеристики усилителя. В качестве практического правила на частоте 450 МГц я использую 10 витков провода диаметром 0.64mm с эмалированной изоляцией на каркасе диаметром 3.2mm. Резистор можно добавить как показано на рисунке 23B чтобы уменьшить угол отсечки если это необходимо.

Если усилитель будет использоваться для работы с сигналами SSB небольшое положительное напряжение можно подать на базу чтобы сместить транзистор в конфигурацию класса AB (см. рисунок 24). Это напряжение составляющее около 0.6–0.7 V создается на диоде который смещен в зону насыщения. Сопротивление резистора должно быть фиксирует предел для этого тока насыщения. Поскольку этот усилитель будет использоваться только на FM, мы можем использовать работу в классе C в нашем усилителе.

Мы также должны учитывать, что может произойти, если выходной разъем будет случайно замкнут. При использовании нашей текущей конфигурации выхода возможно замыкание цепи питания коллектора. Поэтому мы должны установить конденсатор последовательно с выходным разъемом, чтобы изолировать цепь Vcc от выхода. Этот конденсатор должен иметь сопротивление Xc менее 1 Ohm на рабочей частоте. Пара чип-конденсаторов емкостью 0.018 uF, подключенных параллельно, подойдет, так как они также имеют минимальную последовательную индуктивность на частоте fo.

Для использования усилителя с трансивером необходимо обеспечить путь возврата для принимаемого сигнала в обход усилителя. Потери на вставку при прохождении сигнала через усилитель значительно снизят эффективную чувствительность приемника. На рисунке 25 показана схема антенного реле, в которой используется усилитель Дарлингтона в качестве драйвера реле и реле в корпусе «половина кристалла» в качестве антенного переключателя. Рисунок 25A показывает метод, который я использую для управления усилителем реле. Последовательный конденсатор выбирается с таким значением Xc, чтобы оно было достаточно большим для предотвращения загрузки входного сигнала и достаточно низким для управления усилителем Дарлингтона. Конденсатор емкостью около 3 pF хорошо подойдет на частоте 450 MHz. Рисунок 25B представляет схему, используемую Роем Хейхаллом (Roy Hejhall), K7QWR, в некоторых его разработках. Обе схемы имеют потери на вставку около 0.4–0.6 dB. Соединения с выводами реле должны выполняться с помощью коаксиального кабеля на 50 Ohm, чтобы избежать дополнительных потерь на вставку в цепи. Корпус кристалла также должен быть хорошо заземлен.

Рисунок 26. принципиальная схема усилителя на базе MRF618

Рисунок 26, вместе с рисунком 25, представляет нашу принципиальную схему усилителя на базе MRF618. Рисунок 27 показывает компоновку платы, которую я использовал при создании прототипа усилителя. Обе микрополоски имеют длину 63.5mm и ширину 2.54mm. Расстояние между землей и микрополоской примерно равно удвоенной толщине диэлектрика платы (5.08mm). Также в выходной линии есть небольшой разрыв для установки последовательного конденсатора постоянного тока. Причина, по которой линии сделаны длинными, заключается в том, чтобы учесть возможные ошибки в проектировании. Поскольку мы используем микрополосу с волновым сопротивлением 50 Ohm, оставшаяся линия просто действует как волновод на 50 Ohm.

После травления платы в центре необходимо сделать отверстие для фланца транзистора. В техническом описании указаны физические размеры корпуса, а также крутящий момент, который можно применять при его установке на радиатор. Следующим шагом необходимо обеспечить хороший контакт между заземляющими поверхностями с обеих сторон платы. Это можно сделать, обернув края платы и отверстие для монтажа медной фольгой и припаивая ее или с использованием заклепок. Заклепки устанавливаются, просверлив небольшое отверстие в плате и закрепив заклепку на поверхности. Затем необходимо выполнить качественное паяное соединение. В этом проекте мы будем использовать заклепки, установленные во всех точках вокруг платы, где потребуется контакт с землей.

Теперь нужно установить плату на радиатор. При выборе радиатора помните, что необходимо использовать такой, который сможет рассеивать тепло, выделяемое транзистором во время нормальной работы. Параметр теплового сопротивления θjc (°C/W) указан в техническом описании.

Рисунок 26 показывает два параллельно подключенных конденсатора Unelco емкостью 20 pF на коллекторе и базе вместо одного конденсатора 40 pF, использованного в предыдущих примерах. Это связано с тем, что конденсаторы Unelco служат также опорой для выводов транзистора. Установите конденсаторы по разные стороны линии и соедините их центральные выводы вместе. Используйте небольшую медную перемычку для соединения с микрополоской.

Следующим шагом устанавливаем транзистор. Нанесите небольшое количество теплопроводящей пасты фланец транзистора перед его прикручиванием к радиатору. Всегда устанавливайте транзистор на радиатор перед пайкой его в цепь! Монтаж остальных компонентов не представляет сложности. Просто помните, что при подключении дросселей коллектора и базы необходимо делать соединение как можно ближе к транзистору.

Тестирование и оценка

Следующим этапом нашего упражнения является оценка созданной схемы. После сборки и тщательной визуальной проверки на соответствие нашей схеме мы готовы настроить и оценить усилитель.

Основные инструменты, которые нам понадобятся: анализатор спектра, ваттметры для входной и выходной мощности, амперметр, источник питания, генератор сигналов и хорошая неактивная нагрузка на 50 Ohm. Некоторые из этих компонентов трудно достать, и часто вам придется полагаться на свою изобретательность для создания необходимого заменителя. Например, генератор сигналов может быть заменен трансивером. Выходную мощность можно регулировать, изменяя напряжение питания. Однако будьте очень осторожны, чтобы генератор не создавал паразитных излучений из-за низкого напряжения Vcc. Анализатор спектра, вероятно, самый сложный прибор для замены. Тем не менее, в этом разделе мы будем говорить об идеальных условиях тестирования, чтобы ознакомить вас с некоторыми методами испытаний, используемых при оценке схемы.

Настройка в данном случае относительно проста. Подайте небольшую мощность на вход (примерно 1/2 от требуемого уровня сигнала) и настройте входной конденсатор до тех пор, пока не будет замечен небольшой рост тока коллектора (Ic). Затем настройте две выходные переменные для достижения пикового значения выходной мощности. Теперь настройте входной конденсатор на минимальное отражение мощности, при этом следя за настройкой коллектора. По мере увеличения выходной мощности ZOL устройства также будет немного изменяться и потребуется незначительная коррекция в процессе настройки.

Когда вы настроили схему до такой степени, что уверены в ее правильной работе, вы можете теперь начинаем оценку усилителя, чтобы определить, соответствует ли он первоначальным критериям проектирования.

Первое, что проверяется — это коэффициент усиления. Подайте 2 W на вход, проверьте, чтобы входной VSWR был минимальным, и измерьте выходную мощность. В данном случае при мощности возбуждения 2 W и напряжении 13.5 V выходная мощность составляет 17.6 W. Коэффициент усиления можно рассчитать по следующей формуле:

Gpe(dB) = 10 log (Pout / Pin) (Eq. 18)

Таким образом, коэффициент усиления составляет 9.4 dB при этих условиях. Далее проверяется КПД усилителя. Снова включите усилитель при тех же условиях и измерьте ток коллектора Ic. В данном случае Ic составляет 2.1 A. КПД можно рассчитать по формуле:

Efficiency = (Pout / (Vcc × Ic)) × 100 (Eq. 19)

КПД составляет 62.1%. Можно с уверенностью сказать, что усилитель работает значительно лучше, чем требовалось ранее. Теперь мы оценим усилитель при различных динамических условиях, чтобы определить его общие рабочие характеристики.

Первый график, который мы построим, — это зависимость коэффициента усиления от частоты. Мы установим выходную мощность и параметры Vcc, а затем измерим входную мощность на частотах 430, 440 и 450 MHz. Условия тестирования следующие: Vcc = 13.6 V, Pout = 15 W. Результаты испытаний приведены в таблице 2, а на рисунке 28 представлена графическая зависимость коэффициента усиления от рабочей частоты. По этому графику можно определить коэффициент усиления, который можно ожидать на любой частоте в требуемом диапазоне.

Следующим тестом является зависимость Pout от Pin. Поскольку 450 MHz — это наша частота с наихудшими условиями, мы проведем измерение усилителя именно на ней. Для этого мы настроим усилитель на Psat и зарегистрируем входную мощность при нескольких уровнях выходной мощности. Данные представлены в таблице 3. На рисунке 29 показан график этих данных. Анализируя график зависимости Pout от Pin и Gpe от частоты, мы видим, что усилитель легко соответствует первоначальным критериям проектирования.

Последняя проверка — на стабильность и надежность я считаю это самым важным параметром усилителя! Она выполняется с помощью анализатора спектра. Сначала подайте мощность 15 W на выход и проверьте спектр. Паразитные сигналы отсутствуют на экране. Теперь измените Vcc от 5 до 15 V и проверьте наличие паразитных излучений. Затем измените выходную мощность от нуля до Psat и снова проверьте отображение. Если вы смелы, вы можете нагрузить усилитель на разомкнутую цепь или закоротить выход для проверки паразитных излучений и надежности. После проведения всех этих испытаний (и, надеемся, с хорошими результатами) усилитель может быть введен в эксплуатацию.

Резюме

В этом исследовании рассматриваются самые основные элементы проектирования твердотельных мощных усилителей. В части 1 обсуждается основная информация, которая должна быть извлечена из технических описаний для установления необходимых критериев проектирования. Часть 1 также демонстрирует фундаментальный подход к диаграмме Смита, который продолжается в части 2 при проектировании входных и выходных трансформационных цепей. В части 3 объясняются основы конструкции и компоновки усилителя. Также в части 3 содержится информация о смещении транзистора для различных режимов работы и методах коммутации ВЧ сигналов вокруг усилителя, чтобы обеспечить путь возврата для принимаемых сигналов. Часть 3 также устанавливает базовую процедуру оценки характеристик усилителя.

Можно рассказать гораздо больше о проектировании твердотельных усилителей. В конце части 1 приведен список статей, приложений, заметок и учебных материалов, которые могут служить отличным источником дополнительной информации для помощи в проектировании усилителей.

статья переведена с журнала QST October 1977 Page 22