淺析PDM1kW中波發(fā)射機(jī)功放單元工作原理

塔 拉

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在全固態(tài)PDM1kW 中波發(fā)射機(jī)中，PA 盒中集成了三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功率放大單元，每個(gè)輸出功率可達(dá)450W。從功率放大單元實(shí)際電路構(gòu)成來看，它在實(shí)際設(shè)計(jì)上除了有射頻功率放大功能外，還具有諸如電平轉(zhuǎn)換、調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大、功放提供保護(hù)和調(diào)制與功放故障告警等功能，功放單元本身就是一個(gè)集功率放大功能實(shí)現(xiàn)和工作保護(hù)為一體的多功能工作單元。本文將結(jié)合具體電路對(duì)該單元的工作和工作保護(hù)原理做一簡要分析。限于篇幅和分析角度，筆者未提供完整的電路原理圖。本文擬按該單元各電路工作任務(wù)的不同，將其分為射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)電路、調(diào)制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動(dòng)電路、射頻功率放大電路、功率放大單元的溫度檢測與保護(hù)四個(gè)方面進(jìn)行分析。

1 射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)分配和電流不平衡檢測電路分析

如圖1 所示，該電路主要由高頻變壓器T1、1CR1、1Q1及相應(yīng)的電阻、電容構(gòu)成。其中，高頻變壓器T1的初級(jí)繞組由兩個(gè)圈數(shù)相等，繞向相反的線組組成，高頻變壓器初級(jí)的兩個(gè)繞組既是射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的分配端，也是電流不平衡檢測信號(hào)形成的主要前端。之所以將高頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)分成兩路，是因?yàn)槠潋?qū)動(dòng)的對(duì)象是由8 只并且兩兩并聯(lián)的IRF140 構(gòu)成的所謂的橋式D 類射頻功率放大器，其放大器的橋間由輸出變壓器的初級(jí)線圈連接，若使變壓器的初級(jí)線圈產(chǎn)生電流回路，橋上對(duì)應(yīng)的功放管必須同時(shí)導(dǎo)通。因此，只能把射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)分成兩路，兩路分別同時(shí)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的射頻功放管，使之同時(shí)導(dǎo)通并在變壓器初級(jí)形成放大的射頻電流。T1變壓器的次級(jí)才是所謂的電流不平衡故障檢測與保護(hù)執(zhí)行電路，應(yīng)該說明的是，所謂的電流不平衡并不是輸入的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電流不平衡，而是由于其驅(qū)動(dòng)的橋式功率放大器有一邊損壞或工作不正常時(shí)，流過T1兩個(gè)初級(jí)線圈的電流不相同時(shí)，就會(huì)在T1的次級(jí)線圈繞組上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓降，此電壓經(jīng)二極管1CR1整流后在1C3上建立一個(gè)正電壓并觸發(fā)可控硅1Q1 導(dǎo)通，調(diào)制信號(hào)經(jīng)二極管2CR2 接地，實(shí)現(xiàn)對(duì)功放元器件的保護(hù)。當(dāng)橋式功率放大器正常時(shí)，流過初級(jí)線圈的電流相同，由于兩個(gè)線圈的繞向相反，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓降相互抵消，在次級(jí)不能產(chǎn)生感應(yīng)的電壓降，可控硅1Q1 處在截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)調(diào)制信號(hào)通路處在正常工作狀態(tài)。

圖1 PDM1kW中波發(fā)射機(jī)功率放大單元工作原理示意圖

2 調(diào)制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換與驅(qū)動(dòng)電路分析

調(diào)制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換由三極管2Q3、2Q4 和電平驅(qū)動(dòng)電路2U1 （ICL7667） 及相關(guān)電路構(gòu)成，將調(diào)制器來的輸入信號(hào)是0（邏輯0）到15V（邏輯1）的脈沖寬度變化的方波脈沖串，經(jīng)2Q3 （2N5614） 和 開 關(guān) 管 2Q4（3DK2B） 將電平轉(zhuǎn)換成-72V（邏輯0）到-60V（邏輯1）之間變化的調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。之所以要做電平變換，與其調(diào)幅調(diào)制部分采用負(fù)調(diào)制有直接的關(guān)系，即不同于我們習(xí)慣的調(diào)制信號(hào)在“0”上的調(diào)制方式，在PDM1kW發(fā)射機(jī)的調(diào)幅調(diào)制均采用了類似模擬電視發(fā)射機(jī)將視頻調(diào)制信號(hào)置在“0”下的所謂負(fù)調(diào)制技術(shù)。這樣做的好處之一是最大限度的避免了正向電流沖擊對(duì)調(diào)制信號(hào)的干擾。2U1 的作用就是把小電流的方波變換成大電流驅(qū)動(dòng) ， 以 滿 足 后 級(jí) Q1、 Q2（IRF140）場效應(yīng)管的充分導(dǎo)通。

筆者在這里為讀者簡單介紹一下 ICL7667 和 IRF140 的主要特性。ICL7667 是一個(gè)工作最大電壓為+15V 或 -15V 的雙 MOSFET雙高速驅(qū)動(dòng)器，可以將輸入的TTL 信號(hào)電平直接轉(zhuǎn)化成大電流的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于在圖1 所示電路中采用了-12V 供電的原因，與最大供電電壓±15V 比較接近，所以其意外損壞的概率就比較大，因?yàn)樵诎l(fā)射機(jī)調(diào)制信號(hào)告警故障中，有相當(dāng)一部分無調(diào)制信號(hào)告警均是因ICL7667 損壞而造成的；而IRF140的主要技術(shù)參數(shù)為：在VGS=0 的測試條件下，其VDS的擊穿電壓為100V，在VDS=80V，ID=28A 時(shí) DS 間的電阻為 0.089Ω。 此 外 ， IRF140 與ICL7667 同樣具有高速的開、關(guān)工作能力，這就意味著對(duì)輸入的脈沖調(diào)制信號(hào)可以做到幾乎無失真的放大處理，對(duì)發(fā)射機(jī)整機(jī)技術(shù)指標(biāo)的保證起到了很好的效果。這部分的具體工作原理是：圖1中2CR3是12V穩(wěn)壓二極管，提供2U1 和2Q4 的電源電壓，所以 2U1 和 2Q4 的相對(duì)電壓為12V。調(diào)制驅(qū)動(dòng)則是由場效應(yīng)管Q1、Q2 和阻尼二極管 CR1 組成調(diào)制驅(qū)動(dòng)放大電路。Q1、Q2 并聯(lián)驅(qū)動(dòng)并工作在開關(guān)狀態(tài)，其輸出為高電平為0、低電平為-72V的方波，當(dāng)Q1、Q2 的柵極為邏輯 1 電 平 時(shí) ， Q1 和 Q2 導(dǎo) 通 并將-72V 加到低通濾波器（LPF）中，當(dāng)Q1 和Q2 的柵極為邏輯0電平時(shí)，Q1 和Q2 就關(guān)斷，此時(shí)阻尼二極管CR1 維持電流流進(jìn)低通濾波器。由低通濾波器濾掉除直流和音頻以外的高頻成分，由并聯(lián)諧振80KHz 的阻塞網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)被阻塞的80KHz，就是在調(diào)制器板上為使音頻信號(hào)形成脈沖寬度可變的脈沖串，在脈沖寬度可變發(fā)生器與音頻信號(hào)相比較形成了三角波的頻率。因此，在載波狀態(tài)下，低通濾波器的輸入為脈沖寬度相同的方波，通過低通濾波器后為直流負(fù)電壓，此電壓的大小與載波輸出功率相對(duì)應(yīng)。在調(diào)制音頻狀態(tài)下，低通濾波器輸入的是脈沖寬度變化的方波，通過低通濾波器后變?yōu)橹绷髫?fù)電壓上迭加的音頻波形，此音頻幅度的大小代表調(diào)制度的深度。

圖2 橋式射頻功率放大器工作原理示意圖

3 射頻功率放大電路工作原理

射頻放大器主要由高頻功放管IRF140 和高頻變壓器等組成，電路工作原理如圖2 所示。這是一個(gè)典型的開關(guān)式調(diào)幅的橋式D類高頻放大電路。在敘述工作原理前，我們先對(duì)其輸入信號(hào)做一簡要的分析。一是輸入的射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓幅度大小問題，由IRF140 生產(chǎn)商公開的VGS最大工作值不應(yīng)超過±20V，這樣，當(dāng)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)輸出的VP-P為80V~100V驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)圖1 中1T1 初級(jí)線圈繞組并考慮繞組線圈的匝數(shù)后，分配后的射頻信號(hào)幅度應(yīng)該不會(huì)很大（實(shí)測為26V 左右），再經(jīng)圖2 的高頻輸入變壓器適當(dāng)降壓后，就可以提供足夠使功放管導(dǎo)通的VGS電壓；二是調(diào)制信號(hào)的性質(zhì)問題，有很多技術(shù)資料都將輸入到功放的調(diào)制信號(hào)標(biāo)注為-72V，這是值得商榷的，簡單的標(biāo)注為-72V 是不能完整反應(yīng)幅度調(diào)制這一根本技術(shù)要求的，正確的表示應(yīng)該是一個(gè)負(fù)的直流加音頻的信號(hào)，該信號(hào)的幅度隨音頻信號(hào)在0~-72V之間變化。

筆者結(jié)合圖2 為讀者介紹一下射頻功率放大器的具體工作情況。當(dāng)輸入的射頻電壓正半周時(shí)且電平幅度（VGS） 足夠大時(shí)，Q4、 Q8 和 Q5、 Q9 導(dǎo) 通 ， Q3、Q7 和 Q6、Q10 截止，電流方向?yàn)橛蒕4、Q8 經(jīng)輸出變壓器初級(jí)至Q5、Q9；在射頻電壓負(fù)半周時(shí)，Q3、Q7 和 Q6、Q10 導(dǎo) 通，Q4、Q8 和 Q5、Q9 截止，其電流方向是Q6、Q10經(jīng)輸出變壓器初級(jí)至Q3、Q7，這樣放大后的射頻信號(hào)電流在輸出變壓器的初級(jí)上交替流過，并在輸出變壓器的次級(jí)形成感應(yīng)電流輸出，形成完整的調(diào)幅射頻信號(hào)。

4 功率放大單元的溫度檢測與保護(hù)

溫度檢測與保護(hù)電路由圖1所示電路的2RT1、三極管2Q1和可控硅1Q1 及其周圍電路構(gòu)成。其中，2RT1 是一個(gè)熱敏常開開關(guān)，當(dāng)功放單元盒內(nèi)溫度升到80℃時(shí)，2RT 的接點(diǎn)閉合，三極管2Q1 導(dǎo)通，可控硅1Q1 開啟，通過2CR2封鎖調(diào)制信號(hào)的輸入。