浅析PDM1kW中波发射机功放单元工作原理

塔 拉

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在全固态PDM1kW 中波发射机中，PA 盒中集成了三个相对独立的功率放大单元，每个输出功率可达450W。从功率放大单元实际电路构成来看，它在实际设计上除了有射频功率放大功能外，还具有诸如电平转换、调制信号驱动放大、功放提供保护和调制与功放故障告警等功能，功放单元本身就是一个集功率放大功能实现和工作保护为一体的多功能工作单元。本文将结合具体电路对该单元的工作和工作保护原理做一简要分析。限于篇幅和分析角度，笔者未提供完整的电路原理图。本文拟按该单元各电路工作任务的不同，将其分为射频驱动信号电路、调制信号的电平转换与驱动电路、射频功率放大电路、功率放大单元的温度检测与保护四个方面进行分析。

1 射频驱动信号分配和电流不平衡检测电路分析

如图1 所示，该电路主要由高频变压器T1、1CR1、1Q1及相应的电阻、电容构成。其中，高频变压器T1的初级绕组由两个圈数相等，绕向相反的线组组成，高频变压器初级的两个绕组既是射频驱动信号的分配端，也是电流不平衡检测信号形成的主要前端。之所以将高频驱动信号分成两路，是因为其驱动的对象是由8 只并且两两并联的IRF140 构成的所谓的桥式D 类射频功率放大器，其放大器的桥间由输出变压器的初级线圈连接，若使变压器的初级线圈产生电流回路，桥上对应的功放管必须同时导通。因此，只能把射频驱动信号分成两路，两路分别同时驱动对应的射频功放管，使之同时导通并在变压器初级形成放大的射频电流。T1变压器的次级才是所谓的电流不平衡故障检测与保护执行电路，应该说明的是，所谓的电流不平衡并不是输入的射频驱动信号的电流不平衡，而是由于其驱动的桥式功率放大器有一边损坏或工作不正常时，流过T1两个初级线圈的电流不相同时，就会在T1的次级线圈绕组上产生一个感应电压降，此电压经二极管1CR1整流后在1C3上建立一个正电压并触发可控硅1Q1 导通，调制信号经二极管2CR2 接地，实现对功放元器件的保护。当桥式功率放大器正常时，流过初级线圈的电流相同，由于两个线圈的绕向相反，产生的感应电压降相互抵消，在次级不能产生感应的电压降，可控硅1Q1 处在截止状态，此时调制信号通路处在正常工作状态。

图1 PDM1kW中波发射机功率放大单元工作原理示意图

2 调制信号的电平转换与驱动电路分析

调制信号的电平转换由三极管2Q3、2Q4 和电平驱动电路2U1 （ICL7667） 及相关电路构成，将调制器来的输入信号是0（逻辑0）到15V（逻辑1）的脉冲宽度变化的方波脉冲串，经2Q3 （2N5614） 和 开 关 管 2Q4（3DK2B） 将电平转换成-72V（逻辑0）到-60V（逻辑1）之间变化的调制驱动信号。之所以要做电平变换，与其调幅调制部分采用负调制有直接的关系，即不同于我们习惯的调制信号在“0”上的调制方式，在PDM1kW发射机的调幅调制均采用了类似模拟电视发射机将视频调制信号置在“0”下的所谓负调制技术。这样做的好处之一是最大限度的避免了正向电流冲击对调制信号的干扰。2U1 的作用就是把小电流的方波变换成大电流驱动 ， 以 满 足 后 级 Q1、 Q2（IRF140）场效应管的充分导通。

笔者在这里为读者简单介绍一下 ICL7667 和 IRF140 的主要特性。ICL7667 是一个工作最大电压为+15V 或 -15V 的双 MOSFET双高速驱动器，可以将输入的TTL 信号电平直接转化成大电流的驱动信号。由于在图1 所示电路中采用了-12V 供电的原因，与最大供电电压±15V 比较接近，所以其意外损坏的概率就比较大，因为在发射机调制信号告警故障中，有相当一部分无调制信号告警均是因ICL7667 损坏而造成的；而IRF140的主要技术参数为：在VGS=0 的测试条件下，其VDS的击穿电压为100V，在VDS=80V，ID=28A 时 DS 间的电阻为 0.089Ω。 此 外 ， IRF140 与ICL7667 同样具有高速的开、关工作能力，这就意味着对输入的脉冲调制信号可以做到几乎无失真的放大处理，对发射机整机技术指标的保证起到了很好的效果。这部分的具体工作原理是：图1中2CR3是12V稳压二极管，提供2U1 和2Q4 的电源电压，所以 2U1 和 2Q4 的相对电压为12V。调制驱动则是由场效应管Q1、Q2 和阻尼二极管 CR1 组成调制驱动放大电路。Q1、Q2 并联驱动并工作在开关状态，其输出为高电平为0、低电平为-72V的方波，当Q1、Q2 的栅极为逻辑 1 电 平 时 ， Q1 和 Q2 导 通 并将-72V 加到低通滤波器（LPF）中，当Q1 和Q2 的栅极为逻辑0电平时，Q1 和Q2 就关断，此时阻尼二极管CR1 维持电流流进低通滤波器。由低通滤波器滤掉除直流和音频以外的高频成分，由并联谐振80KHz 的阻塞网络，这个被阻塞的80KHz，就是在调制器板上为使音频信号形成脉冲宽度可变的脉冲串，在脉冲宽度可变发生器与音频信号相比较形成了三角波的频率。因此，在载波状态下，低通滤波器的输入为脉冲宽度相同的方波，通过低通滤波器后为直流负电压，此电压的大小与载波输出功率相对应。在调制音频状态下，低通滤波器输入的是脉冲宽度变化的方波，通过低通滤波器后变为直流负电压上迭加的音频波形，此音频幅度的大小代表调制度的深度。

图2 桥式射频功率放大器工作原理示意图

3 射频功率放大电路工作原理

射频放大器主要由高频功放管IRF140 和高频变压器等组成，电路工作原理如图2 所示。这是一个典型的开关式调幅的桥式D类高频放大电路。在叙述工作原理前，我们先对其输入信号做一简要的分析。一是输入的射频驱动信号的电压幅度大小问题，由IRF140 生产商公开的VGS最大工作值不应超过±20V，这样，当激励驱动输出的VP-P为80V~100V驱动信号经图1 中1T1 初级线圈绕组并考虑绕组线圈的匝数后，分配后的射频信号幅度应该不会很大（实测为26V 左右），再经图2 的高频输入变压器适当降压后，就可以提供足够使功放管导通的VGS电压；二是调制信号的性质问题，有很多技术资料都将输入到功放的调制信号标注为-72V，这是值得商榷的，简单的标注为-72V 是不能完整反应幅度调制这一根本技术要求的，正确的表示应该是一个负的直流加音频的信号，该信号的幅度随音频信号在0~-72V之间变化。

笔者结合图2 为读者介绍一下射频功率放大器的具体工作情况。当输入的射频电压正半周时且电平幅度（VGS） 足够大时，Q4、 Q8 和 Q5、 Q9 导 通 ， Q3、Q7 和 Q6、Q10 截止，电流方向为由Q4、Q8 经输出变压器初级至Q5、Q9；在射频电压负半周时，Q3、Q7 和 Q6、Q10 导 通，Q4、Q8 和 Q5、Q9 截止，其电流方向是Q6、Q10经输出变压器初级至Q3、Q7，这样放大后的射频信号电流在输出变压器的初级上交替流过，并在输出变压器的次级形成感应电流输出，形成完整的调幅射频信号。

4 功率放大单元的温度检测与保护

温度检测与保护电路由图1所示电路的2RT1、三极管2Q1和可控硅1Q1 及其周围电路构成。其中，2RT1 是一个热敏常开开关，当功放单元盒内温度升到80℃时，2RT 的接点闭合，三极管2Q1 导通，可控硅1Q1 开启，通过2CR2封锁调制信号的输入。