劉小雄
(作者單位:江西省七0七電視臺)
功放板是發(fā)射機(jī)的重要組成部分,每部發(fā)射機(jī)根據(jù)機(jī)器總功率的不同,同樣的功放板,不同的機(jī)型使用的數(shù)量不等。當(dāng)發(fā)射機(jī)由普通的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)變?yōu)镃DR廣播發(fā)射機(jī)時(shí),其信號源頻譜在原有模擬立體聲調(diào)頻廣播的基礎(chǔ)上,兩側(cè)增加了數(shù)字音頻廣播部分的數(shù)據(jù),其變化過程如圖1所示。
CDR廣播發(fā)射機(jī)頻譜,如圖2所示。Pin為1 W時(shí),輸出功率為10 W;Pin為2 W時(shí),輸出功率為20 W,以此類推。這意味著輸出功率幾乎從零到最大值,增益都為常數(shù)。線性度可以用dB表示的1dB增益壓縮點(diǎn)或三階交截點(diǎn)來表達(dá)。
通常把增益下降到比線性增益低1 dB時(shí)的輸出功率值定義為輸出功率的1 dB壓縮點(diǎn),典型情況下,當(dāng)功率超過P1 dB時(shí),增益將迅速下降并達(dá)到一個(gè)最大的或完全飽和的輸出功率。
以飛思卡爾的MRFE6VP61K25H場效應(yīng)管為例,查其官方資料得到圖3。
從圖3可以看出MRFE6VP61K25H的P1 dB為61.3 dBm,約為1333 W。如果此功放板應(yīng)用在調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)上,功放板工作在飽和區(qū),非線性狀態(tài),那么它的理論最大輸出功率可以達(dá)到1300 W左右;實(shí)物測試工作在88~108 MHz的MRFE6VP61K25H功放板,其輸出功率根據(jù)頻率不同在1100~1250W,增益在24 dB左右,輸出效率最大在78%左右,與資料提供的參數(shù)相符。
當(dāng)功放板需要放大數(shù)字音頻信號時(shí),就需要工作在線性狀態(tài),這個(gè)時(shí)候,就要在P1 dB點(diǎn)回退3~4 dB,使實(shí)際的增益曲線向理想的增益曲線靠近,這個(gè)時(shí)候場效應(yīng)管就會工作在失真很小的線性狀態(tài)。以MRFE6VP61K25H為例,它的P1 dB為61.3 dBm,回退3~4 dB后,輸出功率約為57.3 dBm(537 W)。根據(jù)實(shí)際測量的模擬狀態(tài)的功放板的輸出功率,換算成數(shù)
圖1 普通的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)頻譜示意圖
圖2 CDR廣播發(fā)射機(jī)頻譜示意圖
調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的調(diào)制方式是FM調(diào)制,屬于非線性調(diào)制,對放大器沒有任何線性度指標(biāo)要求。在這種情況下,為節(jié)省能源以及節(jié)約機(jī)器成本,普通的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)的功放板基本都工作在飽和區(qū),單功放板效率最高,線性指標(biāo)最差。以MRFE6VP5600H的輸入輸出特性曲線為例,在實(shí)際使用中,單功放板的輸出功率均在600 W以上,實(shí)際測試效率在75%以上(供電48 V),其輸出功率和效率存在一定關(guān)系。
當(dāng)由調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)發(fā)展為CDR廣播發(fā)射機(jī)時(shí),因?yàn)樵谠蓄l譜的基礎(chǔ)上增加了數(shù)字廣播部分,如果功放板繼續(xù)工作在飽和區(qū),非線性狀態(tài),會導(dǎo)致信號失真,完全無法正常使用。此時(shí),就需要改變功放板的工作狀態(tài),讓其工作在線性區(qū)。
對于要線性工作的所有晶體管,為使其工作點(diǎn)處于轉(zhuǎn)移特性線性區(qū)域,必須給予其一定量的正向偏置。理論線性意味著輸出功率線性跟蹤輸入功率,即字音頻狀態(tài),具體計(jì)算如下:1100~1250 W為,60.4~60.9 dBm,回退3~4 dB,其在調(diào)頻段輸出為,56.4~56.9 dBm,換算成功率為436.5~489 W。由圖4可知,當(dāng)晶體管的輸出功率下降時(shí),功放板的效率也會有所降低,所以,相比普通的調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī),CDR數(shù)字音頻廣播發(fā)射機(jī)的整機(jī)效率較低。
圖3 MRFE6VP61K25H場效應(yīng)圖
圖4 調(diào)頻段輸出示意圖
如果利用電臺現(xiàn)有機(jī)器以增益曲線回退的方法,暫時(shí)代替CDR調(diào)頻廣播級發(fā)射機(jī),那么10 kW(70 dBm),回退后可以代替3980 W的CDR調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī),以此類推3 kW(64.7 dBm),回退后可以代替1174W的CDR調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)。
目前,調(diào)頻廣播機(jī)常用的場效應(yīng)管基本都屬于LDMOS,N溝道型。LDMOS線性功率放大器的線性度受功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)影響很大,如果要改變功放板的線性度,就需要改變功放管的靜態(tài)工作點(diǎn)。從LDMOS的I-V特性曲線圖5可以看出,源電壓為零時(shí),不同Vgs下典型LDMOSFET的電流-電壓特性(VDS代表漏源電壓,IDS代表漏源電流)共分為4個(gè)區(qū)域:截止區(qū),在這個(gè)區(qū)Vg小于開斷電壓,VDS從零開始變大,電流IDS始終接近零;線性區(qū),又稱非飽和區(qū)或歐姆區(qū),Vg大于開斷電壓,溝道中電子未達(dá)到飽和,IDS隨VDS增加而線性增加;飽和區(qū),溝道中電子已經(jīng)完全達(dá)到飽和,VDS增加IDS變化很小,漏電流飽和;準(zhǔn)飽和區(qū),Vgs很大時(shí),IDS本身很大,但隨著Vgs的增大沒有明顯增加。
從LDMOS的I-V特性曲線圖得知,在VDS確定的情況下,要改變功放板的工作狀態(tài),就要改變Vgs柵極電壓,從MRFE6VP61K25H的PDF資料可以看出,當(dāng)Vgs增大時(shí),場效管的IDQ會急劇增大,同時(shí)可以看出在IDQ一定的情況下,隨著溫度的上升,所需的Vgs會下降,在功放板實(shí)際使用中,場效應(yīng)管的溫度,會隨著使用很快升高,那么為了穩(wěn)定工作點(diǎn),就需要在柵極增加溫補(bǔ)電路以此確保功放板持續(xù)工作在線性區(qū)。
從以上可以看出,當(dāng)調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)發(fā)展到CDR廣播發(fā)射機(jī)時(shí),它的信號頻譜發(fā)生了變化,導(dǎo)致功放板需要工作在線性區(qū),而功放板的工作狀態(tài)的改變需要調(diào)整其柵極電壓,同時(shí)會使IDQ發(fā)生變化,而IDQ受溫度影響較大,就需要在功放板的柵極增加溫補(bǔ)電路,以此確保功放板穩(wěn)定工作,只有功放板穩(wěn)定工作了,整機(jī)才能穩(wěn)定的工作在CDR模式。
圖5 LDMO S的I-V特性曲線圖