Современные мощные МОП транзисторы работоспособны в широком интервале частот (1,8...175 МГц) н позволяют получить выходную мощность более 30 Вт. Эти транзисторы обеспечивают усиление по мощности 15...18 дБ и имеют превосходные интермодуляционные характеристики. Новые серии полевых МОП-транзисторов, выпускаемые фирмой Motorola и рядом японских производителей, обладая приведенными выше достоинствами, позволяют получить мощность до 100 Вт на одном транзисторе. По стоимости они сравнимы с обычными выходными лампами.

Преимуществом применения мощных полевых транзисторов в усилителях является их устойчивость в случае отключения антенны или нагрузки, что позволяет обойтись без цепей защиты при увеличении КСВ. Вероятность выхода из строя в такой ситуации мощного полевого транзистора гораздо меньше, чем биполярного.

Входная и выходная емкости МОП-транзисторов не изменяются в зависимости от рабочей частоты или уровня входного сигнала, что упрощает проектирование усилителей мощности па полевых транзисторах, способных отдавать постоянную мощность в широком интервале частот.

Благодаря высокому входному импедансу полевого транзистора (более 1 МОм по постоянному току) разработка схемы входной цепи достаточно проста. В этом случае для достижения требуемой величины входного имепеданса (50...100 Ом) используют резистор, включаемый параллельно входу.

Резистор между затвором полевого транзистора н корпусом служит также частью делителя для подачи на затвор напряжения смещения. Данный вид соединения является более удобным, чем применение входного широкополосного трансформатора с импедансом 50 Ом. По сравнению с полевым транзистором, биполярный обладает меньшим входным импедансом (порядка 10 Ом), в силу чего более сложным становится обеспечение его согласования с трансформатором.

Внутреннее сопротивление полевого транзистора в проводящем состоянии мало (0,25...1 Ом), что дает значительное уменьшение рассеиваемой мощности.

Следует отметить, что для полной раскачки усилителя на полевых транзисторах требуется не­большая мощность подаваемого сигнала. Так, например двухтактный каскад на транзисторах MRF-13S обеспечивает на частоте 7 МГц достижение выходной мощности 60 Вт при мощности входного сигнала всего лишь 288 мВт.

Кое-что о недостатках.

В первую очередь следует отметить вероятность самовозбуждения в области ОВЧ, обусловленную очень широкой полосой рабочих частот полевых МОП-транзисторов. Например для серии MRF усиление составляет около 15...18 дБ на частоте 30 МГц и уменьшается до 10 дБ при 175 МГц.

Для предотвращения самовозбуждения на ОВЧ принимают те же меры, что и для каскадов на лампах уменьшение входного импеданса, последовательное включение в цепь затвора резистора и установка ферритовой трубочки в цепи стока. Следует обратить внимание на хорошую развязку входных и выходных цепей. Полевой транзистор может выйти из строя быстрее, чем биполярный, так как он весьма чувствителен к большим напряжениям затвора и стока, в частности, к перенапряжениям, возникающим в случае самовозбуждения.

Для защиты транзистора можно установить стабилитроны между затвором и корпусом (рис.1), однако это приводит к некоторому увеличению входной емкости. Рекомендуется подключить диоды защиты на этапе экспериментального монтажа, и затем снять их после создания окончательного варианта схемы и устранения любой возможности самовозбуждения.

Разработка и изготовление усилите­ля мощности на полевых МОП-транзисторах не вызывают затруднений, если четко выполняются предупреди­тельные меры. В первую очередь следует обратить внимание на печатную плату. При размещении деталей на ней необходимо позаботиться, чтобы входные цепи оказались максимально уда­лены от выходных.

Токопроводящие дорожки печатной платы должны быть короткими, желательно избегать их изгибов под прямыми углами. В зависимости от того, насколько рационально продумай рисунок печатной платы, паразитная емкость дорожки относительно шины земли может иметь величину от 5 до 50 пФ.

Если для диапазона ОВЧ подобные значения емкости являются значительными, то в области ВЧ (1,5...30 МГц) их наличие не порождает проблем. Фактически на этих частотах паразитные емкости оказываются даже полезными. уменьшая возможность самовозбуждения на ОВЧ.

В схеме, показанной на рис.2, приняты меры по устранению вероятности самовозбуждения. Резисторы R1 н R2 определяют входной импеданс каскада VT1 и служат делителем напряжения смешения транзистора. Уменьшение величины R2 улучшает устойчивость работы схемы. Элементы R3, С1 и С2 образуют стабилизирующую RC-развязку, причем С1 играет свою роль для диапазона ВЧ, а С2 — для ОВЧ. Z1 представляет собой маленькую ферритовую трубочку (бусинку), надетую на проводник вблизи затвора полевого транзистора, которая в сочетании с R4 препятствует самовозбуждению схемы на ОВЧ. Можно также использовать 2...3 бусинки из феррита с большей магнитной проницаемостью (125...900).

Сопротивление резистора R4 может быть в пределах 10...27 Ом. Конденсатор СЗ устанавливается в усилителе, проектируемом для работы в одном частотном диапазоне. Реактивное сопротивление СЗ должно быть больше учетверенной величины выходного импеданса. Например для диапазона 3,5 МГц его емкость составляет 680 пФ, С4...С7 н L1 образуют цепь развязки стока от источника питания.

Регулировка выходной мощности каскада на полевом транзисторе может проводиться без изменения уровня входного сигнала путем изменения напряжения смещения затвора. Так, например максимальная выходная ВЧ мощность усилителя, равная 125 Вт, может быть уменьшена всего до I Вт изменением напряжения смещения затвора с +3 В до -10 В. Это весьма удобно в усилителях CW и FM, но не рекомендуется для режима SSB из-за уменьшения линейности.

Может возникнуть вопрос: делать усилитель широкополосным или узкополосным? Очевидно, лучше использовать ВЧ-усилитель на мощных полевых транзисторах в узкой полосе час­тот, подобно ламповым усилителям, из-за более высокого значения КПД.

Например усилитель на мощном полевом транзисторе VN67AS, работающий в диапазоне 28 МГц в режиме класса С, имеет КПД порядка 85%, а для широкополосного двухтактного каскада в режиме класса В величина КПД составляет 72,6%. Для широкополосного усилителя в режиме класса АВ КПД уменьшается до 40...50%.

Усилитель, схема которого приведена на рис.3, имеет выходную мощность 60 Вт. Его транзисторы работают в режиме класса В при напряжении питания 28 В. На частоте 7 МГц при токе потребления 2,95 А КПД усилителя равен 72,6%. Транзисторы работают при напряжении смешения затвора около +1 В. Коэффициент усиления по мощности составляет 23 дБ.

Усилитель может использоваться в диапазонах от 160 м до 10 м при смене только выходного фильтра.

Четыре резистора по 220 Ом определяют величину межзатворного импеданса порядка 210 Ом. Трансформатор Т1 на фсррнтовом кольце с коэффициентом трансформации 4:1 понижает входной импеданс усилителя до 50 Ом. Параллельно включенные резисторы 3,3 кОм и 2,7 кОм образуют с резисторами затворов делитель для получения необходимого напряжения смешения. Для предотвращения самовозбуждения затворы подключены через резисторы по 15 Ом с надетыми на один из их выводов фсрритовымн бусинками.

Т2 представляет собой высокочастотный дроссель с противофазным включением обмоток, намотанных на ферритовом кольце.

ТЗ является широкополосным трансформатором, преобразующим импеданс 25 Ом между стоками в требуемый для одноднапазонного фильтра 50-омпый. Для увеличения импеданса соотношение витков должно быть 1,5:1 (2 витка первичной обмотки и 3 витка вторичной).

Выходной ФНЧ обеспечивает по­давление гармоник на 70 дБ.

При переводе усилителя в режим класса С на затворы транзисторов по­дается пулевое напряжение смешения. В этом случае при прежней мощности возбуждения выходная мощность каскада составляет 52 Вт, ток потребления — 2,75 А. Немного увеличив входной сигнал, можно восстановить прежнюю величину (60 Вт) выходной мощности. Коэффициент полезного действия для класса С — 67,5%.

Конструкция.

Усилитель был разработан для работы и одном диапазоне. В силу этого выходной фильтр установлен на общей с остальными деталями печатной плате. При желании использовать усилитель для работы на нескольких диапазонах печатная плата может быть укорочена (по пунктирной линии на рис.5), и в этом случае фильтры монтируются на другой плате вблизи переключателя диапазонов.

Т1 — согласующий трансформа­тор 4:1, изготавливается трифилярной намоткой 10 витков медного провода в эмалевой изоляции диаметром 0,33 мм сквозь 2 ферритовые трубочки, склеенные эпоксидным клеем, или 12 витков трифилярной намотки на сердечнике FT50-43;

Т2 — дроссель с противофазными обмотками, имеет 12 витков бифилярной намотки медного провода в эмалевой изоляции диаметром 0,65 мм на тороидальном сердечнике FT50-43:

ТЗ — широкополосный трансформатор, первичная (два витка провода диаметром 1 мм в пластиковой пли тефлоновой изоляции) и вторичная (3 витка такого же провода) об­мотки намотаны сквозь отверстия двух ферритовых трубочек, склеенных между собой эпоксидным клеем.

Катушки фильтра L1...L4 намотаны проводом диаметром 0,65 мм на тороидальных сердечниках Т68-6, число витков для L1 и L4 с индуктивностью 0,79 мкГн — 13, а для L2 н L3 с индуктивностью 1,74 мкГн — 19.

Печатная плата усилителя на рис 4.

Расположение деталей на печатной плате рис 5.

Печатная плата усилителя крепится над радиатором с зазором между ними около 3 мм. Это позволяет установить транзистор с минимальной механической нагрузкой на его корпус. Радиатор имеет те же габариты, что н плата. Излучающую поверхность радиатора лучше сделать ребристой.

Входной и выходной коаксиальные разъемы крепятся к радиатору с помощью уголков.

Катушки индуктивности выходных фильтров наматываются на ферритовых кольцах, а конденсаторы этих фильтров могут быть полистироловыми для частот менее 14 МГц или слюдяными для частот более 14 МГц. Выводы конденсаторов максимально укорачиваются для уменьшения их индуктивности.

Элементы Z1 ...7.1 изготовлены продеванием проводника или вы­вода соответствующего резистора сквозь отверстия одной или, что лучше, нескольких ферритовых бусинок с внешним диаметром от 2 до 5 мм.

 

Перевод М. Сидоренко.

По материалам QST N3/83.

 

материал подготовил А. Кищин (UA9XJK)