1.   Prezentare

Amplificatoarele RF de putere (PA – fig.1) cu tranzistoare LDMOS încep să ia locul, tot mai mult al amplificatoarelor cu tuburi electronice în domeniul undelor scurte și ultrascurte din aparatura de radioamatori.

Fig.1 Principiul amplificatorului de radiofrevență (RF)

 Evoluția în timp a tranzistoarelor de RF de putere (de acum 10 ani) referitor la puterea obținută, amplificarea în putere A_P (Gain), frecvența de lucru (Max frequency), rezistența de transfer termic (R_th) și randament (Efficiency) se pot urmării din imaginea din figura 2.

Fig.2  Evoluția în timp a tranzistoarelor de RF de putere

Funcționarea tranzistorului cu efect de câmp (MOS) are la bază câmpul electric creat de grila G în zona canlului dintre drenă D și sursă S.

Condiții de funcționare pentru tranzistorului MOS (fig. 3):

•       să existe un câmp electric longitudinal în zona canalului; condiţia este satisfăcută dacă V_D>V_S;

•       să existe purtători de sarcină liberi.

 

Fig.3 Structura și simbolul unui tranzistor MOS

Curentul de la drena I_D  este controlat de un câmp electric vertical indus de către grilă. Traseul curentului  este în plan orizontal între drenă și sursa activă și lateral  de la sursa activă spre  contactul ohmic al sursei aflat în partea inferioară a structurii semiconductoare (fig.4).

Fig. 4 Principiul de funcționare al tranzistorului

Tranzistoarele LDMOS prezintă avantaje față de dispozitive bipolare:

·         câștigul mai mare,

·         eficiență și liniaritate,

·         comportare buna la raport SWR,

·         polarizarea simplificată.

 

2.    Principii de realizare a circuitelor amplificatorului

a) Circuitele de intrare și de ieșire

-       să asigure adaptarea de impedanțe și defazarea de 180° (Push-Pull);

-       Impedanțele de intrare și de ieșire având valoari reduse se impune adaptarea acestora la valoarea de 50 ohm.

b) Circuitul de polarizare

- să permită reglajul tensiunii și să-și ajusteze valoarea în funcție de temperatura de funcționare.

c) Circuitul de tranfer a energiei termice (răcire)

- să asigure disiparea unei puteri de ordinul zeci – sute Watt.

Pentru funcționarea în regim liniar  tranzistorul trebuie polarizat cu o tensiune pozitivă mai mare decât pragul  B_ias  (fig. 5).

Fig.5  Dependența curentului prin tranzistor I_DS în funcție de tensiunea de polarizare V_GS

Tranzistoarele LDMOS se realizează, de obicei, cu structură dublă (fig.6), ceea ce le face utile în amplificatoarele de bandă largă.

Fig. 6 Structura unui tranzistoar dublu LDMOS

Circuitele de adaptare la intrare (input baloon) și la ieșire (ouput baloon) sunt transformatoare de bandă largă. Majoritatea construcțiilor folosesc ferite tip 43 sau 61  cu raport 4:1, respectiv 1:9  (fig. 7).

Fig. 7 Schema de principiu a unui amplificator cu tranzistor LDMOS dublu

Amplificatorul de putere conține practic două module: circuitul de intrare și de polarizare a grilelor G1, G2 ale  tranzistorului cu polarizarea (Bias) și circuitul de ieșre unde sunt conectate drenele D1, D2 cu circuitele de adaptare. Modulul de ieșire conține partea de alimentare a drenelor și cea de adaptare de la impedanța de ieșire a tranzistorului la impedanța de 50 ohm a antenei – RF Out.

Principiul de realizare a circuitelor amplificatorului cu cele două module se prezintă în figura 8  (https://www.dxworld-e.com/product-page/ldmos-1-2kw-hf-linear-amplifier-board-1-8-54mhz).

 

Fig. 8 Principiul de realizare al amplificatorului cu două module

 

3.   Variante de realizare a unui amplificator cu tranzistor LDMOS

Circuitele de intrare și de ieșire ale amplificatorului se realizează cel mai frecvent pe cablaj imprimat (PCB)  dublu placat (varianta W6PQL), așa cum se indică în figura 9.

Fig. 9 PCB-ul pentru circuitul de intrare (stanga) și de ieșire (dreapta)

 

Modul de realizare a unui amplificator HF (https://www.dxworld-e.com) pe un PCB asemanator celui din fig. 9 se indică în figura 10.

 

Fig. 10 Modul de realizare a amplificatorului HF (https://www.dxworld-e)

Circuitul de intrare asigură adaptarea de impedanțe de la 50 Ω la impedanța de valoare redusă a tranzistorului. Modulul de intrare conține circuitul de polarizare al grilelor: din tensiunea de 12 V se stabilizează la valoarea mai mică  (Voltage regulator) și se aplică la grile prin circuit de reglaj (R1, R2) respectiv cu potențiometru, din care se poate regla curentul de repaus.  Stabilizarea termică se impune deoarece cu creșterea temperaturi tranzistorului curentul de drenă va crește și de aceea se impune o reducere a tensiunii de polarizare. Compensarea termică se poate face cu diode semiconductoare (fig. 11.a) sau cu termistoare NTC (fig. 11.b - varianta lui K1YP)  care se fixează langă capsula tranzistorului.

Fig. 11 Variante de circuite de polarizare cu stabilizare termică a. cu diodă, b. cu termistor NTC

In funcție de tranzistor (BLF 188) tensiunea de polarizare (bias) V_GS=1,8...1,9V se ajustează  pentru un curent de repaus I_q=0,75...1,5A, care să asigure funcționarea în regim liniar a amplificatorului (fig. 5).  Amplificarea tranzistorului LDMOS (Max Gain -BLF 188 xr) depinde de valoarea curentului de repaus (fig. 12).

Fig. 12  Dependența amplificării de curentul de repaus la tranzistorul BLF188xr

Schema electrică de a modulului de intrare a amplificatorului  este indicată în figura 13 (varianta EB 104).  Aceasta conține:

·         ATT - atenuator -3dB;

·         L1, L2  transformator de adaptare(4:1) și de defazare;

·         BIAS – circuit de polarizare a grilelor cu compensare termică cu diode.

·         Circuit de protecție la supratensiune - TVS Diode (opțional la alte variante).

Fig 13 Circuitul de intrare al amplificatorului cu tranzistor LDMOS (EB104 board)

Variante de transformatoare de impedanță 1:4 de la intrare și respectiv de ieșie folosite la amplificatoarele de unde scurte (HF) sunt indicate în figura 14. 

 

Fig. 14  Principiul de realizare al unor transformatoare  de adaptare cu cablu coaxial

 

La schema modulului de ieșire (varianta EB 104) sunt prezente următoarele:

·         L4, L5 circuitul de alimentare al drenelor realizat  prin intermediul a două bobine pe miezuri toroidale de ferită.

·         Circuitul de adaptare 1:9, realizat pe miezuri de ferită (bead ferrite) bobinate cu câte 3 spire de cablu coaxial cu impedanța de 25 Ω pentru adaptarea  impedanței de ieșire a tranzistorului (aprox. 5,6 Ω) la valoarea de 50Ω (ieșirea spre antena) (fig 15).  La ieșire după adaptorul de impedanță se folosește un baloon de curent.

Fig. 15  Schema modulul de ieșire (EB 104) și modul de conectare (după PA0FRI)

 

      Unii constructori folosesc în locul cablului coaxial cu impedanța de 25 Ω (mai greu de procurat) doua bucăți de cablu coaxial de 50Ω (RG316) legate in paralel (fig. 16).

 

Fig. 16 Modul de realizare al unor circuite de adaptare a) cu cablu coaxial de 25Ω; b) cu paralel de două cabluri de 50Ω (RG 316);

 

      Pentru adaptarea la antenă se folosește, de asemena și transformatorul 1:9 cu o spiră în primar realizată din tub din cupru introdus în miezul de ferită cu două găuri având capetele la drenele tranzistorului. În interiorul țevilor de cupru se bobinează 3 spire din conductor de cupru. Conductorul folosit este izolat cu teflon (fig. 17.a) sau unii constructori (varianta pa0fri) folosesc în paralel cate 3 cabluri RG 316 (fig. 17.b) la ieșirea spre antenă.  Miezul constă din cilindrii de ferită (Bead MX 61) câte două bucăți pe fiecare parte (fig. 17).

 

Fig. 17.a.b Circuit de ieșire cu transformator 1:9, a) cu 3 spire din conductor izolat, b) cu 3 spire din cablu coaxial (3 în paralel).

 

4. Circuite de protecție

 

Pentru funcționarea corectă a amplificatorului trebuie asigurat: 

·         Transferului termic și protecție la supratemperatură;

·         Limitarea puterii de intrare;

·         Protecție la supracurent.

 

a)    Protecția termică

Deoarece, la puterea nominală fluxul termic transferat de la capsula tranzistorului spre radiator este suficient de mare (200...500W) se impune asigurarea unui bun transfer termic.  Literatura de specialitate recomandă menținerea temperaturii joncțiunii Tj sub 170 °C.  Între temperatura joncțiunii și radiator, în funcție de rezistența termică a ansamblului, diferența de temperatură poate atige în regim dinamic zeci de grade. Pentru răcire se recomandă amplasarea tranzistorului pe un disipator din cupru cu dimensiuni egale sau mai mari decât a PCB-ului modulelor având grosime 5...10mm (fig. 17).

La fixarea capsulei tranzistorului pe disipator unii constructori (W6PQL) folosesc cositorirea (fig. 17.a). În prezent există paste termoconductoare care oferă un transfer termic apropiat de cel la metalului (transfer de aprox. 70 de ori mai bun decât pasta siliconică), de exemplu pasta Thermal Grizzly liquid metal (www.thermal-grizzly.com) (fig. 17.b).

Fig. 17.a.b  Mod de amplasare al tranzistorului pe disipator

 

În apropierea capsulei tranzistorului se amplasează senzorul pentru compensarea termică a polarizării grilelor și senzorul pentru supravegherea temperaturii de funcționare (controller-ul de temperatură).

Disipatorul din cupru se fixează pe suprafața plană a corpului de răcire (radiatorul din aluminiu dimensionat corespunzător) prin strângere cu șuruburi pentru a obține un bun transfer termic. Răcirea forțată a radiatorului se face cu ventilatoare cu un debit de aer care să permită evacuarea căldurii și menținerea temperaturii acestuia sub valoarea de 45...50 grade.

 

b)   Limitarea puterii de intrare

Modulul de intrare al amplificatorului conține un atenuator de -3dB care permite aplicarea la intrare a unei puteri mai mici de 7W. Pentru a putea funcționa cu puteri mai mari al intrare este necesar să se folosească un atenuator. Atenuatorul rezistiv monobloc cu diferite grade de atenuare se poate utiliza și amplasa în apropierea intrării (fig. 18).

Fig. 18 a. Plasarea atenuatorului rezistiv monobloc;

b. Atenuator monobloc de -10 dB.

 

 Limitarea tensiunii de RF la grilele tranzistorului se poate face cu diode supresoare de RF, ca la circuitul din figura 13.

Atenuatorul rezistiv se poate realiza in Pi sau T folosind rezistoare neinductive (de exemplu rezistoare rusești tip MLT).  Valorile rezistoarelor se obțin prin calcul în  funcție de atenauare (https://chemandy.com/calculators/matching-pi-attenuator-calculator.htm). Pentru atenuarea de -10 dB valorile sunt date în figura 19.

Fig. 19  Atenuator în Pi (valori calculate pentru -10dB) 

 

c)    Protecția la supracurent și SWR

Pentru protecția tranzistoarelor LDMOS în literatura de specialitate se pot gasi o serie de circuite. Pentru protecția la supratensiune, supracurent și SWR  se poate folosi un circuit integrat care împreună cu câtena elemente poate realiza aceste protecții.  Acest circuit, relativ ieftin realizat de firma Infineon este BTS 660p (https://datasheetspdf.com/datasheet/BTS660P.html).  Schema bloc a circuitului este indicată în figura 20.

În structura circuitului integrat așa cum este dată de producător (fig. 21) se găsesc circuite de sesizare a supratensiunii, supracurentului, temperaturii, având posibilitatea de a deconecta foarte rapid circuitul de sarcină (Load - tranzistorul LDMOS)  atunci când sunt depășiți parametrii de funcționare normali.

Protecția amplificatorului cu ajutorul circuitului BTS 660p se obține prin blocarea alimentării la depășirea parametrului prestabilit, cum ar fi curentul maxim sau raportul de unde staționare (SWR).  Blocarea alimentării se obține prin schimbarea potențialului IN (pinul 3) de la valoarea zero (circuit alimentat) la o valoare pozitivă – curent zero.

Tensiunea V_IS de pe pinul 5 este proporțională cu valoarea curentului I_L din circuitul amplificatorului (al tranzistorului LDMOS). Prin rezistența R_IS se poate supraveghea curenrul I_L

Fig. 20 Schema bloc a circuitului BTS660p

     Structura internă a circuitului BTS660p și modul de blocare al alimentării prin modficarea tensiunii V_bIN se indică în figura 22.

Fig. 22 Structura internă a circuitului BTS660p și modul de blocare al alimentării

Modul de realizare a unui circuit de protecție la raport de unde staționare universal pentru P ≤ 1000W și curent I≤ 38A cu circuitul BTS 660p (Dutch Shop RF) este indicat în figura 23. Circuitul universal de protecție la SWR permite decuplarea tensiunii de alimentare la depășirea valorii maxime permise a raportului de undă staționară.  Circuitul de protecție se intercalează pe circuitul de antenă și cel de curent pentru ca prin informația de SWR să se decupleze circuitul de alimentare al tranzistorului.

Fig. 23 Circuit universal de protecție la SWR cu BTS 660p

Circuitul include un potențiometru din care se poate  regla valoarea SWR la care să se facă deconectarea tensiunii (fig. 23). Un LED care se conectează la bornele indicare se activează  când se produce blocarea curentului. În caz de deconectare datorită unui raport SWR mare  reconectarea tensiunii se obține prin tastare reset (reset switch) după obținerea unui raport SWR normal la reacordul antenei.

Bibliografie

1.    * * *, RF transmitting transistor and power amplifier fundamentals, Philips Semiconductors, 1998

2.    http://www.w6pql.com/1_kw_sspa_for_1_8-54_mhz.htm

3.    https://www.ebay.de/itm/LDMOS-1-2KW-HF-LINEAR-AMPLIFIER-BOARD-1-8-54MHz-BLF188XR-MRF1K50H-MRFX1K80H/163882073669?hash=item262821fe45:g:mScAAOSwoKhe-EAl

4.    https://eb104.ru/karta-sayta/directory

5.    http://www.digitaliontechnologies.com/downloads/datasheet/PAFM1000W144_Rev5.0.pdf

6.    https://pa0fri.home.xs4all.nl/Lineairs/BLF188%20HF%20amplifier/BLF188%20HF%20amplifier%20Eng%20version.htm

7.    https://www.qsl.net/kf8od/ldmos1.html

8.    https://www.pcs-electronics.com/product-category/fm-amplifiers/