全固态发射机末级功放管及其应用论述

【摘要】 本文简要论述了全固态发射机末级功放管结构、分类、性能以及实际中的应用，了解掌握功放管的存放测量和更换方法，减少末机功率放大器故障率，进一步提高全固态发射机的维护水平。

【关键词】场效应晶体管;功放管;多赫蒂功率放大器;静电感应电压

中图分类号：TN929                    文献标识码：A                    DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.12.014

随着高频大功率场效应晶体管研发制造技术的不断进步和广泛应用，广播电视发射机生产厂家开发研制出了各种功率等级的全固态发射机。以其效能高、工作电压低、性能稳定、故障率低、体积小、运维费用低、维护省时方便的特点得到了广泛的使用。在日常的使用维护中，全固态发射机末级功率放大器是发射机的核心部件，以其自身特性，相对故障多，维修量大，而末级功率放大管即高频大功率场效应晶体管是功率放大器的关键核心器件，是故障的多发部位，对其熟悉掌握，有利于发射机的使用和维护。

1. 场效应晶体管结构、分类和性能

场效应晶体管按其构造分为结型场效应晶体管（JFET） 和绝缘栅型场效应晶体管（IGFET），按沟道材料分可分为N沟道型和P沟道型。从导电方式来分，又可分为耗尽型和增强型。全固态发射机功率放大器所用的都是绝缘栅增强型N沟道场效应晶体管。

绝缘栅型场效应管是指金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSEFT，即MOS管，其从制造工艺和不同应用上又可分成普通CMOS管、UMOS管、TMOS管、VMOS管、DMOS管、LDMOS管等系列，在广播电视发射机功放中主要应用的是早期的大功率垂直扩散VMOSFET管和新型超耐用型更适合数字发射机末级功放使用的横向扩散LDMOSFET管，都是根据实际应用由普通MOS管发展变化的改进型。这是绝缘栅增强型N沟道场效应管结构图和电路符号如图1：

VMOSFET场效应管全称是垂直扩散型金属氧化物场效应晶体管，金属栅极采用V型槽结构，简称VMOS管或功率场效应管，普通MOSFET场效应管的栅极、漏极和源极大致处于同一水平面的基板芯片上，其工作电流是按水平方向流动的。VMOS管是不同的，其有两大结构特点：其一栅极采用V型槽结构;其二具有垂直导电性，漏极是从基板芯片的背面引出，所以漏源极间电流不是沿芯片水平流动，而是自重掺杂N+区（源区S）出发，经P沟道流入轻掺杂N-漂移区，后垂直向下到达漏极D。因电流通道截面面积大，可以流通大电流，并且漏极散热面积大，在采取有效散热情况下适合大功率情况工作。其性能特点主要有：1）、输入阻抗高、输出阻抗低，容易实现宽带匹配;2）、增益高，输出功率大，控制电压低，容易实现功率控制;3）、工作电压低，漏源极间击穿电压高，安全系数大;4）、正向跨导大，线性好;5）、带宽宽，高频特性好;6）、具有负温度系数，温度稳定性好;7）、具有低的导通电阻Ron，功耗小效率高;8）、极间无变容效应，应用电路便于设计和调整，可以提供大功率输出，减少末级功放的功率合成级数。在广播电视发射机中常用的型号有恩智浦NXP公司生产的BLF系列的BLF177、BLF278。MRF系列的MRF148A、MRF151G等。

LDMOSFET全稱是横向扩散金属氧化物场效应晶体管，是一种双扩散结构的功率器件，在相同的源/漏区域实施两次砷、硼注入技术，经高温推进横向扩散形成有浓度梯度的导电沟道。它最初应用在无线蜂窝通信中，后在发射机中应用证明线性好、增益高和效率高，耐用性强，在UFH频段和数字发射机上应用显示出优越的性能。其性能特点有：1）、可以在高驻波比情况下工作;2）、增益高，线性好，有高级的瞬间峰值功率有利于数字射频信号放大;3）、可以承受大的过驱动功率;4）、偏置电路简单;5）、工作频率更高，可以再从几百MHz到几GHz的频率工作，且频率稳定性好;6）、热稳定性好：温度对LDMOSFET电流有负反馈作用，温度升高可以限制电流的进一步提高。7）、更低的反馈电容和噪声8）、恒定的输入阻抗，更佳的AGC能力。是新型的超耐用系列功放管，常用的型号有恩智浦NXP公司生产的BLF系列BLF188XR，BLF888B。MRF系列的MRF6V3090、MRFE6VP8600等。常用的各型号功率放大场效应管的参数如表1所示。

2. 功率放大场效应晶体管的应用实例

现以功放管BLF888B为例介绍一下场效应功放管的实际应用。BLF888B是由恩智浦半导体公司制造的双推挽LDMOSFET功放管，应用于新一代分米波数字发射机使用的高效线性大功率多赫蒂（Doherty）功率放大器，采用经过热优化的晶体管设计，可在极端情况下失配应用，达到最低热阻（Rth=0.15K/W），在多赫蒂（Doherty）功率放大器配置中使用，具有在UHF波段（470-860）MHZ的大功率级的高增益性、高耐用性、高效率性的特点。营口广播电视发射台转播中央地面无线数字电视节目使用的是成都新光微波工程有限公司生产的XG300UT-1KD型数字发射机，其末级功放单元采用双管BLF888B及其外围器件组成的120W多赫蒂（Doherty）高效线性功放模块，再通过逐级合成构成输出功率1KW功率放大器单元。功放模块电路原理图如图2所示，功放模块分别由两只BLF888B管和与之相连的输入输出端微带线平衡/不平衡阻抗匹配电路组成两个推挽放大，作为主放大器和峰值放大器，B1是90度混合耦合分配器，它将输入射频小信号进行耦合二分配，直通端相位位移-90度连接峰值放大器，耦合端相位位移零度连接主放大器。T1为主放大器，;T2为峰值放大器，C26、R15、C27、V1、C28、R13、R14、R7、R8、R9、R10、C40、R5、R6、R3、R4组成栅极偏置电路，栅压从漏极50V电源电压降压获取。通过调节电位器WR7、WR8 来改变功放管栅极静态工作点，使T1工作在AB类状态，T2工作在工作在C类工作状态。L1、L2、L3、L4、C10、C33阻抗匹配回路，BLF888B功放管输入输出端接有微带线结构的平衡/不平衡转换器，C1-C9、C29-C32补偿谐振作用，L5、L6四分之一波长微带线，阻抗变换器作用。C21、C22等其余元件为漏极电源UDD滤波退藕作用。多赫蒂（Doherty）高效线性功放模块通过与前级数字预失真技术配合使用，提升工作线性和效率，并采用导热性能优良的热承铲片散热器，使功放管在输出120W功率时i结温低于95℃，工作更加稳定可靠，使该功放模块具有高稳定性、高增益、高效率、高线性的特点。功放模块的主要指标为频率响应：8MHZ带宽±0.1db;增益：≥20db;数字输出功率：120W;效率≥50%。三个功放模块由同相威尔金森三功率合成器合成，组成300W功放单元，四个300W功放单元经过采用典型吉赛尔电路原理，空气带状线设计的四功率合成器同相合成输出，总合成功率超过1200W，构成了输出功率1000 W数字发射机射频功率放大器单元部分。

3. 功率场效应晶体管的使用规范

3.1 保存和取放

功放管都是N沟道增强型MOS场效应晶体管，其输入阻抗很高，绝缘栅层很薄纳米级，因此静电感应电荷不易释放掉，从而产生高的静电感应电压，将输入端或输出端造成击穿短路或开路损坏，而多次较低的静电电压放电积累，也容易造成开路短路损坏或出现断续的失效或者是性能的退化，还有一些静电损害会使泄漏电流增加导致器件性能变坏，因此都应按着规范操作，减少隐患和损失。平时存储应放在防静电金属屏蔽包装盒或袋内，如果没有屏蔽包装盒，可以把管子各极短路后再存放，不要放在塑料盒内。取放时要使用绝缘夹接触管子的陶瓷部分，人员操作时要戴棉织品手套而不要用尼龙手套或橡胶手套，禁止用手触及管脚管体。更换下来损坏的MOS管，不要随意丢弃，大部分都含有氧化铍陶瓷，氧化铍有毒，都应集中妥善处理。

3.2 检查测量

小功率管采用单管双源结构封装方式，大功率管采用双管共源连接结构封装方式构成双管推挽功率管，源极与衬底连接。功率管在使用时首先要对管子的外观进行检查，陶瓷部位不能有损伤，其次在保证防静电要求的情况下对管子进行测量以鉴别好坏。以BLF177和BLF278为例介绍一下功放MOSFET管的测量方法。外形图和符号图如图3、图4所示。

图3中1是漏极（D）、2和4是源極（S）、3是栅极（G）。图4中1和2是漏极（D）、3和4是栅极（G）、5是源极（S）。选用数字万用表的PN结测量档进行测量，测量前检查一下表电池电量是否充足，表笔连线是否有误，档位是否正常使用无误，按图3和图4的数字标法确定管子的极性，将管子放在接地金属平台上，首先将栅源短路放电后，用红表笔接漏极，黑表笔接源极，此时表显示读数应为小于1千欧，大多为500欧到600欧之间为正常;把红表笔接源极，黑表笔接漏极，表读数显示为∞欧为正常;红表笔接栅极，黑表笔接源极，表读数为∞欧为正常，测完放电;红表笔接漏极，黑表笔接栅极，表读数为∞欧为正常，测完放电;将红表笔接漏极，黑表笔接源极，此时表读数为∞欧，此时将漏极与栅极短路表读数变为0欧姆，说明管子导通正常。然后把栅极与源极短路此时表读数变为∞欧，说明管子的截止正常。通过以上的方法，我们可以测量出管子的好坏。在电路上测量，我们可以焊开极间的连接进行测量。

3.3 使用更换

由于MOSFET管栅极的特性，我们在更换管子时应注意以下几点。

在安装管子过程中，首先对人体进行静电放泄，方法是先两手触摸地线，特别是在冬天，人体放电更是关键。要带上棉质手套和防静电金属手环，在操作中，不要用手去直接接触管子，而是用绝缘夹取拿管子。事实证明，疏忽了这些环节，确实容易造成管子的损坏。

把损坏管子拆除后，用脱脂棉酒精把安装管子的底座清理干净，然后把导热硅脂膏均匀涂抹在底座上注意不要多量，先将源极和地用螺丝固定好，固定管子源极的两颗螺钉必须要拧紧，保证管子的稳固和与散热片的接触面完全接触，避免因管子的松动引起的高频打火损坏管子和散热不好产生高温而烧坏管子的现象。

有条件的用热风焊接器焊接或者拔掉烙铁的电源插头进行焊接，焊接前须要将功放模块底座散热片接地，焊头与底座散热器短路放电再焊接。最好用50W电烙铁，在每次焊接中时间最好不超过5秒，如果需要多次焊接，可以稍做停顿，等管子的温度稍下降后再焊接，焊接时注意焊点要饱满，焊点要镀锡处理锡层不要过厚，各引脚的焊接顺序是源极、栅极、漏极。拆机时顺序相反。更换后应仔细检查清理模块板面，加电调整栅极静态工作点，先将偏置电位器调至最小，在根据各发射机功放模块技术书出厂数据和实际检测数据来调整到规定值。

3.4 日常维护

功放管工作中具有高温、大功率、大电流的特点，功率放大器与天馈线相连接，受环境和外界的影响比较大，相对是故障多发部位。平时要定期检查天馈线系统，有无馈管天线固定和接头松动，接头防水密封损坏等，测量驻波比，保证在1.2以内。定期检查清理冷却系统，保证冷却系统运行正常。对功率放大模块的保护电路：过温、过激励、过功率、高驻波等电路定期检测，确保功率放大器平稳安全工作，以保护功放管稳定使用，通过了解和掌握末级功放管的性能原理和应用，能进一步提高发射机的维护水平，减少故障隐患，保障发射机安全运行播出。

作者简介：刘宏，营口新闻传媒中心，工程师，主要从事广播电视发射技术维护工作。