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1984年,日本东芝公司推出全固态电视发射机后,全固态发射机很快在全世界得到推广与普及。尤其是近十几年来,随着电子制造技术的进步,一批批性能优异的高频大功率MOS功放管被生产出来,管子的功率等级不断提高,在被大量使用于移动通信以后,其用量激增而价格已不太昂贵,使得高频大功率MOS功放管在广播电视发送系统中得到广泛应用,由它们而组成的高频功率放大器的输出级,简称为功放模块PA(即末级功放)。由若干个功放模块组成系统功放链,采用功率合成技术达到发射机的输出功率。
全固态发射机主要特点是:
1、全固态发射机体积小,噪声低。全固态发射机集成化程度高,与同功率等级电子管式发射机相比,体积小,占地少。全固态机采用低压风机,整机风压比电子管式低,噪音低。
2、全固态发射机效率高。全固态发射机的效率能达到75%以上,电子管发射机效率只有25%,因此在能源消耗上具有明显优势。全固态发射机采用开关电源,输入交流电压范围大、输出稳定、效率高。
3、全固态发射机工作电压。对维护人员绝对安全,使维护保养方便、省时。晶体管低压运用,不需预热而可即时工作。整机还采用无源分配合成,可靠性高。
4、全固态发射机激励器采用双驱结构。
5、功率放大稳定可靠。模块化设计、并联结构。全固态发射机以工作高度可靠而著称。这是由于晶体管器件的长寿命以及功放实行模块设计,采用并联放大状态工作。全固态功放系统均采用模块放大,并行工作的积木结构。发射机功率的大小,取决于功放模块使用的多少。
6、控制系统功能齐全。控制系统是由微处理器完成的。将所有信息在显示屏上进行显示,对发射机的工作模式可进行设置,对各种状态进行显示。
7、全固态发射机易于过渡到数字电视发射机。一般只需要只需要更换激励器、调整功放模块的工作点进行适当功率回退和调试输出带通滤波器更换调制器,就可以完成数字化升级,可实现数字化播出。
大功率MOS功放管的通用性能
每一只大功率MOS功放管都内含两只MOS管,管子增益达到15DB,该管的外形如图(1),图(2)为它的电路符号。这种管子因源极的电位很低(一般源极接地),制造管子时,为了减轻源衬之间电压对导电性能的影响,建起源极和衬底连在了一起。这种MOS管的特点是:输入电阻Ri极大,最高达1KΩ以上,受温度影响小,热稳定性好,噪声低。
另外,由于场效应晶体管属于电压控制器件,安装使用不慎,极易将晶体管损坏。因此,请参照以下注意事项进行安装:
1. 绝对禁止用手、或其他导体触摸该管的栅极,因为人体或导体所带静电就可将该管击穿而损坏。
2. 安装该管之前,必须先将安装位置清理干净,并在管子的底部涂上导热硅脂,然后将管子固定。
3. 焊接之前,应先用导线夹子将栅极和漏极电路部分与功放的地线连在一起。
4. 电烙铁的外导体部分必须用导线与功放的地连接好,方可进行焊接。焊接时最好将电烙铁的电源插头从电源上拔下,以免感应电压将管子损坏。
5. 一般情况下,最好不用万用表或其他仪表测试该管。
除此之外 ,大功率MOS功放管对于供电电源系统有具体要求,供电电源要求保护功能完善,过压保护要求保护阀值准确 。 另外管子的工作温度受到晶体材料和可靠性的限制,与其他电子元件一样,大致遵循工作温度每升高7-10°失效率加倍的规律,通常要求在机房为常温和平均图象电平的条件下将硅材料管芯的工作温度控制在110°C以下,由此决定了功率放大器的温升限制和风量要求。因发射机采用风冷系统,必然存在滤尘问题,由于功率放大器为便于通风和散热留有通风孔,一旦灰尘积聚在管子的表面,就容易引起管子损坏。
VHF波段全固态发射机中大功率MOS功放管的使用
VHF 波段应用最为广泛的大功率MOS功放管为BLF278/378,管子的增益为16DB,工作在甲乙类,放大器的振幅频率特性接近于甲类放大器,互调随输出功率降低而持续改善可达—55至—60DB,而且在最低电平处回升不多。这样对于合放运用比较适应,所以在VHF和FM固态发射机中得到大量使用。采用BLF278管构成的 VHF 150W 功放原理框图见图(3)所示,其特点为宽带电路设计;功率余量大,性能稳定。
在北广和鞍广的VHF(H)波段全固态发射机中,又见采用最新的 MOSFET功放管SR401,该功放管线一致性好,增益高。发射机均采用模块化设计,最小功放单元为450W
下图(4)示为北广1KW VHF-H(Ⅲ波段) 全固态发射机方框图,
总结:VHF波段全固态发射机中最常用大功率MOS功放管如下表
UHF波段全固态电视发射机中LDMOS功放管的使用
LDMOS(Lateraiiy Diffused Metal Oxide Semiconductor 横扩散金属氧化物半导体)技术,原应用于数字移动通讯基地站,九十年代后期被成功地应用于UHF波段的全固态发射机中。BLF861是由PHILIPS公司生产的硅N— 沟道增强型LDMOS推挽管,采用陶瓷帽封装,其公共源极直接连到安装管脚,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,延长了管子的寿命,被广泛应用于UHF波段。
如北广TVU 316型管全固态发射机末级功放,电路是这样组成的:由推动级来的输入信号经一个3DB耦合器进行功率分配,信号被分成相同的两等分,这两路信号经微带线网络,由各自的BLF861组成的放大电路进行放大,该放大电路工作于AB类,工作电压+32V。放大后的功率信号再经微带线网络到达输出端的3DB藕合器进行功率合成,也就是说两个相同的放大电路组成一个功放模块。两个相同的功放模块再经微带线网络功率合成,组成一个末级功放单元。所以每个末级功放由四个BLF861电路所组成,可输出图象同步顶功率400W加伴音功率40W。该管实物见图(5)。
MRF377是摩托罗拉公司生产的较新的LDMOS FET器件,国外的一些发射机工厂己经广泛使用。具有单元输出能力强,线性好,同等功率设备体积小,元件少,功率合成级数少等诸多优点。该管在模拟测试条件下性能为:
输出功率103W(平均功率)此时电流为9. 2A工作状态AB类。
功率增益16.7dB(频率带宽100MHZ )
效率 ≥33%
互调 ≤-48 dB
与传统的分米波双极型功放管相比,LDMOS FET具有以下显著优点:
●可以在高驻波比(VSWR=10:1)情况下工作;
●增益高(典型值13dB);
●饱和曲线平滑,有利于模拟和数字电视射频信号放大;
●可以承受大的过驱动功率,特别适用于DVB-T中COFDM调制的多载波信号;
●偏置电路简单,无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。
新型数字电视发射机中LDMOS管的应用
2000年初,欧洲各国正式启动地面数字电视(DVB-T)广播,各主要发射机厂家纷纷推出新一代发射机, 如:美国HARRIS公司的AtlasTM系列数字发射机、日本NEC公司的VersatileⅡ DTU-31系列数字发射机、德国R—S公司的NH/NV7000系列发射机等。 近几年,随着我国的数字地面广播标准出台以及具有中国知识产权的CMMB技术的实施,我国数字电视发射机的生产也进入飞速发展阶段。
当前电视广播向数字化、固态化、自动化方向发展过渡,发射技术和发射机设备发生了很大变化。开展以移动接收为主要业务的地面数字电视广播,考虑到一般都采用LDMOS功放模块以获得较大的线性动态范围,芯片信道解调的处理速度,以及受电磁干扰的程度,特别是在水、湿地、树林偏多的地区等因素的影响,所以,数字电视发射机都将工作频率选择在UHF频段。也就是说前述BLF861、MRF377等LDMOS FET管皆可用于数字发射机的末级功放中。
数字电视广播对发射机的最基本要求是功率放大器应有足够高的功率增益、高线性、宽动态范围(即数字调制信号在动态峰值范围内时,发射机仍有良好的线性);为保证被传输信号具有尽可能低的误码率和信杂比,发射机应有足够高的频率精度和频率稳定度、低的相位噪声。数字电视发射机的额定输出功率按平均功率规定。数字电视发射机末级功放通常采用AB类线性放大器,以提高效率和输出能力,并采用性能优良的中频预校正电路。
比如MRF377在数字电视功率放大器运用时,工作频段在470MHz~860MHz,工作电压为32V.在DVBT OFDM制式条件下条件下测试其性能分别为:
输出功率 45W (平均功率)
功率增益 16. 7dB;
效率≥21%;
ACPR< -58 dB(ACPR为落入临近频率与主频率的功率比);
互调-31. 3 dB( ATSC BVSB制式
图(6)为辽宁数字广播电视设备集团有限公司生产的数字系列发射机整机框图 ,该系列发射机采用摩托罗拉公司的LDMOSFET功放管 MRF377,该功放管用于数字发射机时,线性好、增益高和输 出能力强饱和曲线平滑,使发射机的可靠性和可维护性大大提高。
n(500w:n=2;1KW:n=4;2kw:n=10)
恩智浦(NXP)(FOUNDEDBYPHILIPS)半导体于2007年推出了全球首款具有更高功率的新型LDMOS管真正的300W超高频(UHF)晶体管,即第六代LDMOS晶体管BLF878。这一新的大功率晶体管是市场上唯一能够在整个UHF波段以杰出线性性能和稳定性能提供300W功率的解决方案,主要面向电视发射及广播市场。它的推出有助于研制高效率解决方案,显著提高输出功率,同时降低数字发射设备成本。比如福建新大陆300W数字电视发射机中就运用了一只BLF878全固态化器件。
总结:VHF波段全固态发射机中最常用大功率MOS功放管如下表
近期展望
随着新型管的制造技术的稳定和成熟,必将推动功放单元的更新换代,新一代大功率MOS功放管的输出能力将得到提高,使得全固态发射设备的小型化趋势将继续发展,目前新一代VHF波段已开始采用LDMOS技术,所以,我们有理由相信,高频大功率MOS功放管在广播电视发送系统的全面应用时代已经到来。
全固态发射机主要特点是:
1、全固态发射机体积小,噪声低。全固态发射机集成化程度高,与同功率等级电子管式发射机相比,体积小,占地少。全固态机采用低压风机,整机风压比电子管式低,噪音低。
2、全固态发射机效率高。全固态发射机的效率能达到75%以上,电子管发射机效率只有25%,因此在能源消耗上具有明显优势。全固态发射机采用开关电源,输入交流电压范围大、输出稳定、效率高。
3、全固态发射机工作电压。对维护人员绝对安全,使维护保养方便、省时。晶体管低压运用,不需预热而可即时工作。整机还采用无源分配合成,可靠性高。
4、全固态发射机激励器采用双驱结构。
5、功率放大稳定可靠。模块化设计、并联结构。全固态发射机以工作高度可靠而著称。这是由于晶体管器件的长寿命以及功放实行模块设计,采用并联放大状态工作。全固态功放系统均采用模块放大,并行工作的积木结构。发射机功率的大小,取决于功放模块使用的多少。
6、控制系统功能齐全。控制系统是由微处理器完成的。将所有信息在显示屏上进行显示,对发射机的工作模式可进行设置,对各种状态进行显示。
7、全固态发射机易于过渡到数字电视发射机。一般只需要只需要更换激励器、调整功放模块的工作点进行适当功率回退和调试输出带通滤波器更换调制器,就可以完成数字化升级,可实现数字化播出。
大功率MOS功放管的通用性能
每一只大功率MOS功放管都内含两只MOS管,管子增益达到15DB,该管的外形如图(1),图(2)为它的电路符号。这种管子因源极的电位很低(一般源极接地),制造管子时,为了减轻源衬之间电压对导电性能的影响,建起源极和衬底连在了一起。这种MOS管的特点是:输入电阻Ri极大,最高达1KΩ以上,受温度影响小,热稳定性好,噪声低。
另外,由于场效应晶体管属于电压控制器件,安装使用不慎,极易将晶体管损坏。因此,请参照以下注意事项进行安装:
1. 绝对禁止用手、或其他导体触摸该管的栅极,因为人体或导体所带静电就可将该管击穿而损坏。
2. 安装该管之前,必须先将安装位置清理干净,并在管子的底部涂上导热硅脂,然后将管子固定。
3. 焊接之前,应先用导线夹子将栅极和漏极电路部分与功放的地线连在一起。
4. 电烙铁的外导体部分必须用导线与功放的地连接好,方可进行焊接。焊接时最好将电烙铁的电源插头从电源上拔下,以免感应电压将管子损坏。
5. 一般情况下,最好不用万用表或其他仪表测试该管。
除此之外 ,大功率MOS功放管对于供电电源系统有具体要求,供电电源要求保护功能完善,过压保护要求保护阀值准确 。 另外管子的工作温度受到晶体材料和可靠性的限制,与其他电子元件一样,大致遵循工作温度每升高7-10°失效率加倍的规律,通常要求在机房为常温和平均图象电平的条件下将硅材料管芯的工作温度控制在110°C以下,由此决定了功率放大器的温升限制和风量要求。因发射机采用风冷系统,必然存在滤尘问题,由于功率放大器为便于通风和散热留有通风孔,一旦灰尘积聚在管子的表面,就容易引起管子损坏。
VHF波段全固态发射机中大功率MOS功放管的使用
VHF 波段应用最为广泛的大功率MOS功放管为BLF278/378,管子的增益为16DB,工作在甲乙类,放大器的振幅频率特性接近于甲类放大器,互调随输出功率降低而持续改善可达—55至—60DB,而且在最低电平处回升不多。这样对于合放运用比较适应,所以在VHF和FM固态发射机中得到大量使用。采用BLF278管构成的 VHF 150W 功放原理框图见图(3)所示,其特点为宽带电路设计;功率余量大,性能稳定。
在北广和鞍广的VHF(H)波段全固态发射机中,又见采用最新的 MOSFET功放管SR401,该功放管线一致性好,增益高。发射机均采用模块化设计,最小功放单元为450W
下图(4)示为北广1KW VHF-H(Ⅲ波段) 全固态发射机方框图,
总结:VHF波段全固态发射机中最常用大功率MOS功放管如下表
UHF波段全固态电视发射机中LDMOS功放管的使用
LDMOS(Lateraiiy Diffused Metal Oxide Semiconductor 横扩散金属氧化物半导体)技术,原应用于数字移动通讯基地站,九十年代后期被成功地应用于UHF波段的全固态发射机中。BLF861是由PHILIPS公司生产的硅N— 沟道增强型LDMOS推挽管,采用陶瓷帽封装,其公共源极直接连到安装管脚,导热性能得到改善,提高了器件的耐高温性,延长了管子的寿命,被广泛应用于UHF波段。
如北广TVU 316型管全固态发射机末级功放,电路是这样组成的:由推动级来的输入信号经一个3DB耦合器进行功率分配,信号被分成相同的两等分,这两路信号经微带线网络,由各自的BLF861组成的放大电路进行放大,该放大电路工作于AB类,工作电压+32V。放大后的功率信号再经微带线网络到达输出端的3DB藕合器进行功率合成,也就是说两个相同的放大电路组成一个功放模块。两个相同的功放模块再经微带线网络功率合成,组成一个末级功放单元。所以每个末级功放由四个BLF861电路所组成,可输出图象同步顶功率400W加伴音功率40W。该管实物见图(5)。
MRF377是摩托罗拉公司生产的较新的LDMOS FET器件,国外的一些发射机工厂己经广泛使用。具有单元输出能力强,线性好,同等功率设备体积小,元件少,功率合成级数少等诸多优点。该管在模拟测试条件下性能为:
输出功率103W(平均功率)此时电流为9. 2A工作状态AB类。
功率增益16.7dB(频率带宽100MHZ )
效率 ≥33%
互调 ≤-48 dB
与传统的分米波双极型功放管相比,LDMOS FET具有以下显著优点:
●可以在高驻波比(VSWR=10:1)情况下工作;
●增益高(典型值13dB);
●饱和曲线平滑,有利于模拟和数字电视射频信号放大;
●可以承受大的过驱动功率,特别适用于DVB-T中COFDM调制的多载波信号;
●偏置电路简单,无需复杂的带正温度补偿的有源低阻抗偏置电路。
新型数字电视发射机中LDMOS管的应用
2000年初,欧洲各国正式启动地面数字电视(DVB-T)广播,各主要发射机厂家纷纷推出新一代发射机, 如:美国HARRIS公司的AtlasTM系列数字发射机、日本NEC公司的VersatileⅡ DTU-31系列数字发射机、德国R—S公司的NH/NV7000系列发射机等。 近几年,随着我国的数字地面广播标准出台以及具有中国知识产权的CMMB技术的实施,我国数字电视发射机的生产也进入飞速发展阶段。
当前电视广播向数字化、固态化、自动化方向发展过渡,发射技术和发射机设备发生了很大变化。开展以移动接收为主要业务的地面数字电视广播,考虑到一般都采用LDMOS功放模块以获得较大的线性动态范围,芯片信道解调的处理速度,以及受电磁干扰的程度,特别是在水、湿地、树林偏多的地区等因素的影响,所以,数字电视发射机都将工作频率选择在UHF频段。也就是说前述BLF861、MRF377等LDMOS FET管皆可用于数字发射机的末级功放中。
数字电视广播对发射机的最基本要求是功率放大器应有足够高的功率增益、高线性、宽动态范围(即数字调制信号在动态峰值范围内时,发射机仍有良好的线性);为保证被传输信号具有尽可能低的误码率和信杂比,发射机应有足够高的频率精度和频率稳定度、低的相位噪声。数字电视发射机的额定输出功率按平均功率规定。数字电视发射机末级功放通常采用AB类线性放大器,以提高效率和输出能力,并采用性能优良的中频预校正电路。
比如MRF377在数字电视功率放大器运用时,工作频段在470MHz~860MHz,工作电压为32V.在DVBT OFDM制式条件下条件下测试其性能分别为:
输出功率 45W (平均功率)
功率增益 16. 7dB;
效率≥21%;
ACPR< -58 dB(ACPR为落入临近频率与主频率的功率比);
互调-31. 3 dB( ATSC BVSB制式
图(6)为辽宁数字广播电视设备集团有限公司生产的数字系列发射机整机框图 ,该系列发射机采用摩托罗拉公司的LDMOSFET功放管 MRF377,该功放管用于数字发射机时,线性好、增益高和输 出能力强饱和曲线平滑,使发射机的可靠性和可维护性大大提高。
n(500w:n=2;1KW:n=4;2kw:n=10)
恩智浦(NXP)(FOUNDEDBYPHILIPS)半导体于2007年推出了全球首款具有更高功率的新型LDMOS管真正的300W超高频(UHF)晶体管,即第六代LDMOS晶体管BLF878。这一新的大功率晶体管是市场上唯一能够在整个UHF波段以杰出线性性能和稳定性能提供300W功率的解决方案,主要面向电视发射及广播市场。它的推出有助于研制高效率解决方案,显著提高输出功率,同时降低数字发射设备成本。比如福建新大陆300W数字电视发射机中就运用了一只BLF878全固态化器件。
总结:VHF波段全固态发射机中最常用大功率MOS功放管如下表
近期展望
随着新型管的制造技术的稳定和成熟,必将推动功放单元的更新换代,新一代大功率MOS功放管的输出能力将得到提高,使得全固态发射设备的小型化趋势将继续发展,目前新一代VHF波段已开始采用LDMOS技术,所以,我们有理由相信,高频大功率MOS功放管在广播电视发送系统的全面应用时代已经到来。