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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Transistores de microondas lineales para amplificadores de potencia. Dato de referencia
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Referencias El nivel actual de desarrollo de REA y su base elemental permite actualmente crear transmisores de televisión y FM VHF completamente de estado sólido con una potencia de salida de hasta 5 kW [1,2]. Las vías de amplificación basadas en amplificadores de transistores de banda ancha tienen una serie de ventajas sobre las de válvulas. Los transmisores de estado sólido son más confiables, eléctricamente seguros, fáciles de usar y de fabricar. Con un diseño de bloque modular del transmisor, la falla de uno de los bloques del amplificador final no provoca una interrupción de la transmisión, ya que la transmisión continuará hasta que se reemplace el bloque, solo con potencia reducida. Además, la ruta de banda ancha del amplificador de transistores no requiere sintonización adicional a un canal específico dentro de la banda de frecuencia operativa [3]. Generalmente se acepta que la confiabilidad de un transmisor depende principalmente de la confiabilidad de los componentes activos utilizados. Gracias al uso de modernos transistores lineales de microondas de alta potencia, cuyas características de diseño y tecnología de fabricación proporcionan un aumento significativo del tiempo entre fallas, la cuestión de aumentar la confiabilidad de los transmisores de estado sólido ha recibido una solución fundamental [4] . Los crecientes requisitos para los indicadores técnicos y económicos de los transmisores VHF FM y de televisión de alta potencia, así como el nivel alcanzado de tecnología nacional en el campo de la creación de transistores bipolares de silicio de alta potencia, estimularon el desarrollo de una nueva clase de dispositivos: Transistores lineales de microondas de alta potencia. El Instituto de Investigación de Tecnología Electrónica (Voronezh) ha desarrollado y produce una amplia gama de ellos para su uso en los rangos de longitud de onda de metros y decímetros. Los transistores están especialmente diseñados para su uso en transmisores de radiodifusión y televisión de alta potencia, repetidores, en particular, en repetidores de televisión con amplificación conjunta de señales de sonido e imagen, así como en amplificadores de señales multicanal de estaciones base de un sistema de comunicación celular [5 ]. Estos transistores cumplen requisitos extremadamente estrictos en cuanto a linealidad de la característica de transferencia, tienen un margen de disipación de potencia y, como resultado, una mayor confiabilidad. Estructuralmente, estos transistores se fabrican en cajas de metal-cerámica. Su apariencia se muestra en la Fig. 1 (no se muestran casos de todos los transistores mencionados en el artículo; los que faltan se pueden ver en el artículo [6]). Las altas propiedades lineales y de frecuencia de las estructuras de transistores se obtienen gracias al uso de tecnología isoplanar de precisión. Las capas de difusión tienen una tasa de diseño submicrónica. La anchura de los elementos emisores de la topología es de aproximadamente 1,5 µm con su perímetro extremadamente desarrollado.
Para eliminar fallas causadas por fallas eléctricas y térmicas secundarias, la estructura del transistor se forma en un chip de silicio con un colector epitaxial de dos capas y resistencias estabilizadoras del emisor. Los transistores también deben su confiabilidad a largo plazo al uso de metalización multicapa a base de oro. Los transistores lineales con una disipación de potencia de más de 50 W (con la excepción de KT9116A, KT9116B, KT9133A), por regla general, tienen un circuito de adaptación de entrada LC estructuralmente incorporado, realizado en forma de un microconjunto basado en un en condensador MIS y un sistema de cables. Los circuitos de adaptación internos permiten ampliar la banda de frecuencia operativa, simplificar la adaptación de entrada y salida y también aumentar la ganancia de potencia Cp en la banda de frecuencia. Además, estos transistores están "equilibrados", lo que significa que en una brida hay dos estructuras de transistores idénticas, unidas por un emisor común. Esta solución constructiva y técnica permite reducir la inductancia de salida del electrodo común y también contribuye a ampliar la banda de frecuencia y simplificar la adaptación. Cuando los transistores balanceados se encienden en contrafase, el potencial de su punto medio es teóricamente igual a cero, lo que corresponde a la condición artificial de "tierra". En realidad, dicha inclusión proporciona aproximadamente un aumento de cuatro veces en la impedancia compleja de salida en comparación con una de ciclo único al mismo nivel de señal de salida y una supresión efectiva de componentes armónicos pares en el espectro de la señal útil. Es bien sabido que la calidad de la transmisión de televisión depende principalmente de cuán lineal sea la característica de transferencia del camino electrónico. El problema de la linealidad es especialmente grave al diseñar nodos para la amplificación conjunta de señales de imagen y sonido debido a la aparición de componentes combinacionales en el espectro de frecuencia. Por lo tanto, se adoptó el método de tres tonos propuesto por expertos extranjeros para estimar la linealidad de la característica de transferencia de los transistores nacionales mediante el nivel de supresión del componente combinado de tercer orden. El método se basa en el análisis de una señal de televisión real con una relación de señal de la frecuencia portadora de la imagen de -8 dB. -16 dB de frecuencia de banda lateral y -7 dB de frecuencia portadora de audio en relación con la potencia de salida en el pico de la envolvente. Los transistores para amplificación conjunta, dependiendo de la frecuencia y el rango de potencia, deben proporcionar el valor del coeficiente de los componentes combinacionales del MOH, por regla general, no más de -53 ... -60 dB. La clase considerada de transistores de microondas con regulación estricta de la supresión de componentes combinacionales se denominó en el extranjero transistores superlineales [7]. Cabe señalar que un nivel tan alto de linealidad generalmente se logra solo en el modo de clase A, donde es posible llevar a cabo la linealización máxima del modo de la característica de transferencia.
En el rango del medidor, como puede verse en la tabla, hay una serie de transistores, representados por los dispositivos KT9116A, KT91166, KT9133A y KT9173A con una potencia máxima de salida de Rvmx.peak, respectivamente, 5,15, 30 y 50 vatios. En el rango de onda decimétrica, dicha serie está representada por los dispositivos KT983A, KT983B, KT983V, KT9150A y POS con РВВ1Х, PIK igual a 0,5, 1,3,5, 8 y 25 W. Los transistores superlineales se utilizan generalmente en amplificadores conjuntos (en modo clase A) de repetidores de televisión y módulos amplificadores de potencia de transmisores con una potencia de hasta 100 vatios. Sin embargo, las etapas de salida de transmisores potentes requieren transistores más potentes que proporcionen el nivel necesario del límite superior del rango dinámico lineal cuando funcionan en un modo de energía ventajoso. Se puede obtener una distorsión armónica aceptable a un nivel de señal alto aplicando amplificación dividida en modo clase AB. Con base en el análisis de las condiciones termofísicas de operación del transistor y las características de la formación de la linealidad de una señal monotonal, se desarrolló especialmente una serie de transistores de microondas para el modo de operación en clase AB. La linealidad de las características de estos dispositivos según un método extranjero se estima mediante el nivel de compresión (compresión) de la ganancia en términos de la potencia de una señal de un solo tono (la relación de compresión Kszh o de otro modo) determina la potencia de salida en un cierto Kszh normalizado. Para su uso en el rango de onda del medidor en modo clase AB, ahora existen transistores KT9151A con una potencia de salida de 200 W y transistores KT9174A de 300 W. Para el rango de decímetros se han desarrollado transistores 2T9155A, KT9142A, 2T9155B, KT9152A, 2T9155V, KT9182A con una potencia de salida de 15 a 150 W. Por primera vez, los especialistas de NEC demostraron la posibilidad de crear transmisores modulares de estado sólido en el rango de decímetros con amplificación conjunta de señales de imagen y sonido con una potencia de 100 W. Posteriormente, se crearon transmisores similares en transistores de microondas domésticos de alta potencia 8, 12]. En particular, en [9] se describe una investigación original sobre la ampliación del alcance de uso de los transistores de alta potencia KT9A y KT9151A al crear módulos de amplificación conjunta de cien vatios en modo clase A. .9152 veces el valor nominal en modo clase AB . Especialistas de la Universidad Técnica Estatal de Novosibirsk realizaron una investigación sobre el uso de transistores de microondas domésticos de alta potencia en los módulos de amplificadores de potencia de televisión con amplificación separada. En la fig. La Figura 2 es un diagrama de bloques de un amplificador de potencia de señal de imagen para los canales de televisión 1 a 5 con una potencia máxima de salida de 250 vatios. El amplificador se fabrica según el esquema de amplificación separada de señales de imagen y sonido. Para los canales 6 a 12, el amplificador se realiza de manera similar con la adición de una etapa intermedia en un transistor KT9116A que opera en modo clase A para obtener la ganancia requerida.
En la etapa de salida, los transistores KT9151A funcionan en clase AB. Se ensambla según un esquema equilibrado de push-pull. Esto permite obtener la potencia de salida nominal con circuitos de adaptación bastante simples en ausencia total de "eco de alimentación" y con un nivel de componentes armónicos pares de no más de -35 dB. La no linealidad de la característica de amplitud del amplificador se establece para una señal pequeña seleccionando el desplazamiento del punto de operación en cada etapa, así como corrigiendo la no linealidad en el modulador de video del excitador. El diagrama de bloques del amplificador de potencia para los canales de televisión 21 - 60 se muestra en la fig. 3. La etapa de salida del amplificador también se fabrica según un esquema push-pull equilibrado.
Para garantizar la adaptación de banda ancha y la transición de carga asimétrica a simétrica en las etapas de salida de los amplificadores de los canales 6 - 12, 21 - 60, se utiliza un filtro de paso bajo de dos enlaces como circuito correctivo. La inductancia del primer enlace del circuito de adaptación se implementa en forma de secciones de microlíneas en tiras en los elementos de la topología general de la placa de circuito impreso. Las bobinas del segundo enlace son las salidas de la base de los transistores. La estructura de estos amplificadores corresponde a la Fig. 2 y 3. La separación de potencia en la entrada de las etapas amplificadoras y su suma en su salida, así como la adaptación de las entradas y salidas con una carga estándar, se realizó mediante acopladores direccionales de XNUMXdB. Estructuralmente, cada acoplador está fabricado en forma de devanados bifilares (líneas de cuarto de onda) sobre un marco colocado en una carcasa protectora. Por lo tanto, los transistores de microondas lineales domésticos modernos permiten crear módulos amplificadores de televisión potentes (hasta 250 W). Utilizando las baterías de dichos módulos, es posible aumentar la potencia de salida suministrada al trayecto antena-alimentador hasta 2 kW. Como parte de los transmisores, los amplificadores desarrollados cumplen con todos los requisitos modernos en cuanto a características eléctricas y confiabilidad. Recientemente, los potentes transistores lineales de microondas han comenzado a utilizarse ampliamente también en la construcción de amplificadores de potencia para estaciones base de un sistema de comunicación celular. Según su nivel técnico, los potentes transistores lineales de microondas desarrollados por NIIET se pueden utilizar como elemento base para crear modernos equipos de radiodifusión, televisión y otros equipos económicos y de radioaficionados nacionales. Literatura
Autores: A.Assessors, V.Assessors, V.Kozhevnikov, S.Matveev, Voronezh
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