Знаете ли вы, что Ampleon выпускает LDMOS-устройства, рассчитанные на экстремальные уровни мощности, например, ART2K, рассчитанный на 2500 Вт ? К сожалению, эта мощность на самом деле не имеет ничего общего с линейным использованием, которое нам нужно для любительского радио. Эта мощность рассчитана на импульс 100uS на частоте 108Mhz, с 75Vds, смещением 50mA и температурой корпуса 25C. Это имеет мало общего с линейным усилителем класса AB для режима типа SSB. Довольно нелепый рейтинг, по крайней мере для любительского радио, поскольку ничего линейного не может произойти при смещении 50 мА, а после первого импульса температура значительно выше 25C.
Давайте поговорим о том, как заставить эти усилители работать максимально линейно при самом распространенном напряжении — 50 В. Под линейным подразумевается синусоида на входе, синусоида на выходе, низкое содержание гармоник. Не прямоугольную волну на выходе или какую-то другую креативную форму, вызванную очень сильными гармониками. По сути, что делает усилитель до того, как придет бригада по очистке ФНЧ и все приведет в порядок ?
900 Вт в идеальном мире
Предположим, что есть идеальные компоненты, включая транзисторы, которые являются линейными и насыщаются при нулевом напряжении.
В этом случае каждый транзистор может понизить свой сток с 50 В до 0 В. И когда он понижает свой сток, сток другого транзистора подтягивается на ту же величину, сверх 50 В питания, идеально связанным трансформатором питания, также известным как CMFC. Учитывая это, каждый сток будет колебаться между 0 и 100 В. И пока один сток находится на 0, другой на 100 В, и наоборот. Таким образом, нагрузка, подключенная между стоками, видит от +100 В до -100 В. Это напряжение 200 В пик, или 100 В пик, и поскольку это синусоида, это 70,7 В RMS. Если транзисторы возбуждаются сильнее, вершины синусоиды сгладятся, и вы получите искажение. Таким образом, 70,7 В RMS — это самый большой сигнал,который усилитель может выдать без искажения между стоками. Затем идет трансформатор 1:9 TLT. Это отношение импеданса 1:9, что означает отношение напряжения 1:3. Таким образом, выходное напряжение составляет 3×70,7 В, а это 212,2 В. 212,2 В — максимально возможное среднеквадратичное напряжение на выходе. А 212,2 В на 50 Ом дают 900 Вт. Итак, это теоретический/идеальный предел для неискаженной выходной мощности на 50 Ом, при 50 В, с преобразованием 1:9 и идеальными компонентами во всем.
От теоретических 900 Вт до полу реальных 733 Вт
Теперь давайте перейдем к реальному миру, где компоненты неидеальны, а CMFC-ы ДАЛЕКИ от идеала и ведут себя не так, как описано выше. И есть другие проблемы. Первая большая проблема заключается в том, что МОП-транзисторы не могут полностью понизить напряжение на своих стоках до нуля вольт. Когда затворы работают настолько, насколько они могут выдержать, сток-исток в лучшем случае имеет сопротивление, указанное как RDS(on). Это примерно от 0,08 до 0,16 Ом для типичного LDMOS киловаттного класса. Нижнее значение справедливо при комнатной температуре. Во время работы они намного горячее, поэтому это значение растет, примерно до двухкратного номинального значения. Для расчета предположим практическое значение 0,15 Ом. Оглядываясь назад от нагрузки, сопротивление нагрузки 50 Ом преобразуется в 5,5 Ом трансформатором 1:9, а оно преобразуется в 1,39 Ом бифилярным дросселем CMFC 1:4 (2T). Итак, когда транзистор доведен до насыщения, питание 50 В подается на делитель напряжения, состоящий из 1,39 Ом последовательно с 0,15 Ом RDS(on). Таким образом, напряжение стока понижается только до 4,9 В вместо 0 В, в результате чего колебания напряжения стока достигают только 45,1 В вверх и вниз от питания 50 В.Следовательно, максимальное неискаженное среднеквадратичное напряжение между стоками составляет всего 63,8 В среднеквадратичного значения, выходное напряжение составляет всего 191,5 В, а максимальная неискаженная выходная мощность составляет всего 733 Вт. Это ограничение RDS(on) является основным ограничением на низких частотах. Но на более высоких частотах возникает дополнительная проблема. Емкости сток-исток и сток-затвор MOSFET имеют тенденцию резко расти, когда напряжение стока становится низким, так как сигнал приближается к нулю. Эти растущие емкости вызывают падение усиления для больших сигналов, а также вызывают фазовые искажения. Чем выше частота, тем хуже эффект. Таким образом, на высоких частотах вы не можете управлять MOSFET до его RDS(on)-диктуемого напряжения насыщения. В результате максимальная неискаженная выходная мощность становится еще ниже.
И это еще не все..
Кроме того, в схеме есть еще несколько сопротивлений, которые все еще способствуют снижению выходной мощности. Эти эффекты должны быть небольшими, но, по крайней мере, мы можем их как-то контролировать: короткие широкие дорожки печатной платы, коаксиальные кабели большого размера, конденсаторы с низким ESR и т. д. Наконец, типичный CMFC не способен делать то, что нам нужно на более высоких частотах, скажем, выше 10 МГц. Связь далека от совершенства, поэтому подтягивание вверх и вниз транзистора противоположной стороны через взаимную индуктивность нарушается.
В итоге
Подводя итог, можно сказать, что при напряжении 50 В теоретический максимум для линейной работы составляет 733 Вт, а в зависимости от частоты этот показатель быстро падает. Но не отчаивайтесь, ведь все, что вам нужно сделать, это перейти к нелинейному преобразованию и превратить ваши синусоиды в усиленные прямоугольные волны, что создаст вдвое большую мощность синусоиды, и отфильтровать гармоники в мощном ФНЧ. Как и делают все крупные производители коммерческих усилителей!
То что реально можно получить без последствий.