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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Praktische Schaltungen von Schmalband-Leistungsverstärkern mit Feldeffekttransistoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / HF-Leistungsverstärker Class-A-Endstufen kommen selten zum Einsatz. Im Grunde sind dies Verstärker von HF-Funkempfängern mit großer Überlastfähigkeit. Ein praktisches Diagramm eines solchen Verstärkers ist in Abb. 1 dargestellt. Die Eingangsschaltung L1C1 und die Ausgangsschaltung L2C2 werden normalerweise synchron abgestimmt und auf die Frequenz des Eingangssignals abgestimmt.
Äquivalenter Widerstand Re des Ausgangskreises Re=P2p2/(RL+Rn'), wobei p=Sqr(L2/C2), Rn' - Lastwiderstand, der in den Schwingkreis eingeführt wird; RL – aktiver Verlustwiderstand; P2 – Schaltkreisaktivierungskoeffizient. Wert Rн'=Rн/n22, wobei n2 das Transformationsverhältnis ist. Die Güte des Ausgangskreises bei voll eingeschaltetem Q=ReRi/(Re+Ri)2pfoL2 nimmt aufgrund der Nebenschlusswirkung des Ausgangswiderstandes des Transistors Ri ab. Für leistungsstarke MIS-Transistoren ist Ri klein und überschreitet normalerweise nicht mehrere zehn Kiloohm. Daher wird zum Erhöhen von Q2 ein unvollständiger Einschluss der Schaltung verwendet. Die Bandbreite des Ausgangskreises beträgt 2Df2=fo2/Q2 und die Resonanzfrequenz beträgt fo2=l/2pSqr(L2C2). Im HF-Bereich kann ein solcher Verstärker Ki bis zu mehreren Zehnern liefern. Ein wichtiger Indikator für einen Verstärker ist der Geräuschpegel. Die Rauscheigenschaften von Hochleistungs-MOS-Transistoren werden in [1] betrachtet. Abbildung 2 zeigt eine praktische Schaltung des PA auf einem leistungsstarken MIS-Transistor KP901A. Da die Aufgabe, ein kleines L2C2-Frequenzband zu erhalten, nicht gestellt wurde, wird die Schaltung direkt mit der Drain-Schaltung verbunden und von der Last R = 50 Ohm überbrückt. In Klasse A hatte der Verstärker Ku=5(Ku=SRn) und Kp>20 bei f=30 MHz. Beim Umschalten in den nichtlinearen Modus erreichte die Ausgangsleistung 10 W.
An den Transistoren KP3A und KP902A wird ein zweistufiger PA (Abb. 901) hergestellt. Die erste Stufe arbeitet in Klasse A, die zweite in Klasse B. Um Klasse B zu gewährleisten, genügt es, den Teiler vom Gate-Wert des zweiten Transistors auszuschließen. Der Verstärker verwendet eine Breitbandkommunikationsschaltung zwischen den Stufen. Bei einer Frequenz von 30 MHz lieferte der Verstärker Pout = 10 W mit Ki > 15 und Kp > 100.
Der Schmalbandverstärker in Abb. 4 ist für den Betrieb im Frequenzbereich 144...146 MHz ausgelegt. Es bietet eine Leistungsverstärkung von 12 dB, einen Geräuschpegel von 2,4 dB und einen Intermodulationsverzerrungspegel von nicht mehr als 30 dB.
Ein Resonanzverstärker basierend auf einem leistungsstarken MIS-Transistor 2NS235B (Abb. 5) bei einer Frequenz von 700 MHz liefert Pout = 17 W mit einem Wirkungsgrad von 40 ... 45%.
Der Verstärker in Abb. 6 enthält eine Neutralisierungsschaltung, die den Pegel der Rückkopplungsstörungen auf einen Pegel von -50 dB reduziert. Bei 50 MHz hat der Verstärker eine Leistungsverstärkung von 18 dB, einen Rauschpegel von 2,4 dB und eine Ausgangsleistung von bis zu 1 W.
In der patentierten Schaltung Abb. 7 (US-Patent 3.919563) wurde bei einer Frequenz von 70 MHz ein realer Wirkungsgrad von 90 % bei einer Ausgangsleistung von 5 W bei einer Frequenz von 70 MHz erreicht. Der Gütefaktor des Ausgangskreises beträgt 3.
Abbildung 8 zeigt ein Diagramm einer dreistufigen PA basierend auf den heimischen Hochleistungs-MOS-Transistoren KP905B, KP907B und KP909B.
Der Verstärker liefert 30 W Leistung bei 300 MHz. Die ersten beiden Stufen verwenden resonante U-förmige Anpassungsschaltungen, und die Ausgangsstufe verwendet eine L-förmige Schaltung am Eingang und eine U-förmige Schaltung am Ausgang. Die experimentell und rechnerisch ermittelten Abhängigkeiten von Wirkungsgrad und Pout von Uc sowie Pout und Kp von Pin sind in Abb. 9 dargestellt.
Beim Einsatz von PA in AM-Rundfunksendern (mit Amplitudenmodulation) ist es schwierig, die Linearität der Modulationscharakteristik sicherzustellen, d. h. die Abhängigkeit von Pout von der Amplitude des Eingangssignals. Sie werden verstärkt, wenn stark nichtlineare Betriebsarten wie Klasse C verwendet werden. Abbildung 10 zeigt ein Diagramm eines HF-Funksenders mit Amplitudenmodulation. Sendeleistung 10,8 W bei Verwendung eines leistungsstarken UMOS-Transistors VMP4. Die Modulation erfolgt durch Änderung der Vorspannung am Gate.
Um die Nichtlinearität der Modulationscharakteristik (Kurve 1 in Abb. 11) zu reduzieren, verwendet der Sender eine Hüllkurvenrückkopplung. Dazu wird die AM-Ausgangsspannung gleichgerichtet und das resultierende Niederfrequenzsignal zur Erzeugung eines OOS verwendet. Die Modulationsantwort 2 in Fig. 10 veranschaulicht eine signifikante Verbesserung der Linearität.
Abbildung 12 zeigt ein schematisches Diagramm einer Tasten-PA mit einer Nennausgangsleistung von 10 W und einer Betriebsfrequenz von 2,7 MHz. Der Verstärker besteht aus den Transistoren KP902, KP904. Der Wirkungsgrad des Verstärkers bei Nennausgangsleistung liegt bei 72 %, die Leistungsverstärkung bei ca. 33 dB. Der Verstärker wird vom Logikelement K133LB erregt, die Versorgungsspannung beträgt 27 V, der Scheitelfaktor der Drain-Spannung der Endstufe beträgt 2,9. Bei entsprechender Umstrukturierung der Kommunikationsschaltungen arbeitete der Verstärker mit den angegebenen Parametern im Bereich von 1,6 ... 8,1 MHz.
Um eine bestimmte Leistung bei höheren Frequenzen bereitzustellen, ist es notwendig, die Erregerleistung zu erhöhen. Strukturell wurden beide PAs auf Leiterplatten mit Standardstrahlern von 100 x 150 x 20 mm montiert, was durch die Standardabmessungen der PA-Einheit in Funksendern erklärt wird. Die Induktoren in Kommunikationskreisen sind zylindrisch auf Ferritstäben der Marke HF-30 mit einem Durchmesser von 16. Der Gütefaktor der Induktoren beträgt Q = 150. Als Sperrdrosseln in den Drainstromkreisen der Transistoren des Ein-Watt-Verstärkers und der Vorstufe des 10-Watt-Verstärkers wurden Standarddrosseln mit einer Induktivität von 600 μH eingesetzt. Die Leistungsdrossel im Drain-Kreis des KP904-Transistors liegt auf einem Ferritring, seine Induktivität beträgt 100 μH. Abbildung 13 zeigt ein schematisches Diagramm einer Schlüssel-PA mit einer Nennausgangsleistung Pout = 100 W, die für den Einsatz in unbeaufsichtigten HF-Funksendern ausgelegt ist. Der Verstärker enthält eine Vorverstärkungsstufe, umgekehrt auf zwei KP907-Transistoren. Am Eingang VT1 ist eine passende U-förmige Schaltung C1L1C2C3 enthalten.
Die Endstufe besteht aus sechs KP904A-Transistoren. Diese Anzahl von Transistoren wurde aus Gründen der Effizienzsteigerung gewählt. Anstelle von KP904B-Transistoren können Sie auch sechs KP909-Transistoren oder drei stärkere KP913-Transistoren einschalten. Der optimale Schlüsselmodus der Drain-Schaltung wird durch eine Formierungsschaltung bereitgestellt, die die Elemente C14, C15, C16, L7 enthält. Der Verstärker hat einen Gesamtwirkungsgrad von 62 %. In diesem Fall beträgt der elektronische Wirkungsgrad der Endstufe etwa 70 %. Eine Brückenschaltung zum Einschalten der Transistoren der Vorstufe dient dazu, die Funktionsfähigkeit des Verstärkers (wenn auch mit verschlechterten Parametern) bei Ausfall des Ausgangstransistors aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck sind in den Quellen leistungsstarker Transistoren individuelle Sicherungen enthalten, deren Aufgabe es ist, den fehlerhaften Transistor auszuschalten. Tritt infolge seines Durchbruchs in der Transistorreihe ein kurzschlussnaher Modus auf, macht dies den Verstärker funktionsunfähig. Die Parallelschaltung von leistungsstarken MIS PT verursacht keine zusätzlichen Schwierigkeiten bei der Berechnung und Abstimmung der PA. Die Abnahme des Wirkungsgrades des Verstärkers im Vergleich zu einem Verstärker ähnlicher Bauart (siehe Abb. 12) ist hauptsächlich auf die Verwendung von Leistungstransistoren in einem 100-W-Verstärker zurückzuführen. Bei einer Verringerung der Ausgangsleistung auf 50 W steigt der Wirkungsgrad des Verstärkers auf 85 % und der elektronische Wirkungsgrad auf 90 %. Die Werte der Parameter der in Abb. 13 gezeigten Elemente entsprechen einer Frequenz von 2,9 MHz. Der Spitzenspannungsfaktor an den Drains der KP904-Transistoren beträgt 2,8, und die Transistoren selbst arbeiten in einem nahezu optimalen Modus. Der Scheitelfaktor der Drainspannung in den Kaskaden an KP907-Transistoren beträgt P = 2,1. Der Transistor arbeitet im Tastbetrieb, jedoch ist der optimale Betrieb nicht gewährleistet, da der optimale Tastbetrieb für diese Transistoren bei Uc = 27 V und Sperrwinkel φ = 90° wegen eines erheblichen Crestfaktors bei dem der Drain gefährlich wäre Spannung könnte die maximal zulässige Spannung von 60 V für den KP907-Transistor überschreiten. Abbildung 14, a zeigt die experimentellen und berechneten Kurven, die die Abhängigkeiten der Effizienz, Pout und he vom Abschaltwinkel des Drainstroms veranschaulichen. Die Abbildung zeigt eine gute Annäherung der berechneten Daten an die experimentellen. Es sollte beachtet werden, dass der Bereich möglicher Abschneidewinkel ziemlich eng ist. Eine Erhöhung der Grenzwinkel wird durch eine schnelle Erhöhung des Crest-Faktors der Drainspannung verhindert, und eine Verringerung wird durch eine Erhöhung der erforderlichen Erregerspannung verhindert, die ziemlich bald beginnt, Uz add zusammen mit der Vorspannung Uz zu überschreiten. Mit einer Verringerung des Pegels von Pwt erweitert sich natürlich der Bereich möglicher Änderungen der Grenzwinkel des Drainstroms.
Der Verstärker ist auf einer Leiterplatte aufgebaut. Als Kühlkörper wird ein Radiator mit Abmessungen von 130 x 130 x 50 mm verwendet. In den Stromversorgungskreisen der KP907-Transistoren werden standardmäßige DM-01-Drosseln mit einer Induktivität von 280 μH verwendet. Zusätzliche Brückendrosseln sind auf Ferritringe VK-30 Ø=26 gewickelt. Die Induktivität im Speisekreis der Endstufe ist auf einen Ferritring VCh-30 Ø = 30 gewickelt. Die Induktivität im Verbindungskreis der Endstufe mit der Last ist Luft, gewickelt mit versilbertem Draht, Durchmesser = 2,5, Spulendurchmesser 30 mm, L = 80 nH. Die Temperaturabhängigkeit der Ausgangsleistung Pout und des Wirkungsgrades der Taste PA bei einer Ausgangsleistung von 100 W sind in Abb. 14b dargestellt. Aus den obigen Abhängigkeiten ist ersichtlich, dass sich die PA-Eingangsleistung im Bereich von -60...+60°C um nicht mehr als ±10% ändert. Auch die Temperatur hat einen geringen Einfluss auf den Wirkungsgrad, der im angegebenen Bereich um ±5 % schwankt. Dabei sinkt die Ausgangsleistung und der Wirkungsgrad mit steigender Temperatur, verbunden mit einer Abnahme der Steigung 5 mit steigender Temperatur. Im üblichen Temperaturbereich von -60 ... +60 °C ist die Änderung von he und Pout unbedeutend, und dies ohne besondere Maßnahmen zur thermischen Stabilisierung des CM. Letzteres ist auch ein Vorteil leistungsfähiger MIS-Transistoren. Literatur:
Veröffentlichung: N. Bolschakow, rf.atnn.ru
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