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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Transistors hyperfréquences linéaires pour amplificateurs de puissance. Donnée de référence
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Les références Le niveau actuel de développement de REA et de sa base élémentaire permet de créer des émetteurs VHF FM et de télévision entièrement à semi-conducteurs avec une puissance de sortie allant jusqu'à 5 kW [1,2]. Les voies d'amplification basées sur des amplificateurs à transistors à large bande présentent un certain nombre d'avantages par rapport aux amplificateurs à tubes. Les transmetteurs à semi-conducteurs sont plus fiables, électriquement sûrs, pratiques à utiliser et plus faciles à fabriquer. Avec une conception modulaire en blocs de l'émetteur, la défaillance de l'un des blocs amplificateurs terminaux n'entraîne pas de perturbation de la diffusion à l'antenne, puisque la transmission se poursuivra jusqu'au remplacement du bloc, uniquement avec une puissance réduite. De plus, le trajet large bande de l'amplificateur à transistor ne nécessite pas de réglage supplémentaire sur un canal spécifique dans la bande de fréquence de fonctionnement [3]. Il est généralement admis que la fiabilité d'un émetteur dépend avant tout de la fiabilité des composants actifs utilisés. Grâce à l'utilisation de transistors hyperfréquences linéaires modernes de haute puissance, dont les caractéristiques de conception et la technologie de fabrication permettent une augmentation significative de leur temps entre pannes, la question de l'augmentation de la fiabilité des émetteurs à semi-conducteurs a reçu une solution fondamentale [4] . Les exigences croissantes concernant les indicateurs techniques et économiques des émetteurs VHF FM et de télévision de haute puissance, ainsi que le niveau atteint de technologie nationale dans le domaine de la création de transistors bipolaires en silicium de haute puissance, ont stimulé le développement d'une nouvelle classe d'appareils - haute -transistors micro-ondes linéaires de puissance. L'Institut de recherche en technologie électronique (Voronej) en a développé et produit une large gamme destinée à être utilisée dans les gammes de longueurs d'onde métriques et décimétriques. Les transistors sont spécialement conçus pour être utilisés dans les émetteurs de télévision et de radio de haute puissance, les répéteurs, en particulier dans les répéteurs de télévision avec amplification conjointe des signaux audio et image, ainsi que dans les amplificateurs de signaux multicanaux des stations de base d'un système de communication cellulaire [5 ]. Ces transistors répondent à des exigences extrêmement strictes en matière de linéarité de la caractéristique de transfert, présentent une marge de dissipation de puissance et, par conséquent, une fiabilité accrue. Structurellement, ces transistors sont fabriqués dans des boîtiers métallo-céramiques. Leur aspect est montré sur la Fig. 1 (les boîtiers de tous les transistors mentionnés dans l'article ne sont pas représentés ; ceux qui manquent sont visibles dans l'article [6]). Les propriétés linéaires et fréquentielles élevées des structures de transistors sont obtenues grâce à l'utilisation d'une technologie isoplanaire de précision. Les couches de diffusion ont une norme de conception submicronique. La largeur des éléments de topologie émetteur est d'environ 1,5 microns avec un périmètre extrêmement développé.
Afin d'éliminer les pannes causées par des claquages électriques et thermiques secondaires, la structure du transistor est formée sur un cristal de silicium avec un collecteur épitaxial à double couche et l'utilisation de résistances de stabilisation d'émetteur. Les transistors doivent également leur fiabilité à long terme à l’utilisation d’une métallisation multicouche à base d’or. Les transistors linéaires avec une dissipation de puissance supérieure à 50 W (à l'exception des KT9116A, KT9116B, KT9133A) ont en règle générale un circuit d'adaptation d'entrée LC structurellement intégré, réalisé sous la forme d'un micro-assemblage basé sur un dans un condensateur MIS et un système de câbles. Les circuits d'adaptation internes vous permettent d'étendre la bande de fréquence de fonctionnement, de simplifier l'adaptation d'entrée et de sortie et d'augmenter également le gain de puissance CUR dans la bande de fréquence. En même temps, ces transistors sont « équilibrés », ce qui signifie la présence de deux structures de transistors identiques sur une même bride, unies par un émetteur commun. Cette conception et cette solution technique permettent de réduire l'inductance de la sortie de l'électrode commune et contribuent également à élargir la bande de fréquences et à simplifier l'adaptation. Lorsque des transistors équilibrés sont activés push-pull, le potentiel de leur point médian est théoriquement égal à zéro, ce qui correspond à l'état d'une « masse » artificielle. Cette inclusion fournit en fait une impédance complexe de sortie environ quatre fois supérieure à celle d'une impédance asymétrique au même niveau de signal de sortie et une suppression efficace des composantes harmoniques paires dans le spectre du signal utile. Il est bien connu que la qualité de la diffusion télévisuelle dépend avant tout de la linéarité des caractéristiques de transfert du trajet électronique. Le problème de la linéarité est particulièrement aigu lors de la conception de nœuds d'amplification conjointe des signaux d'image et de son en raison de l'apparition de composants combinatoires dans le spectre de fréquences. Par conséquent, la méthode à trois tons proposée par des experts étrangers pour évaluer la linéarité des caractéristiques de transfert des transistors nationaux sur la base du niveau de suppression du composant de combinaison de troisième ordre a été adoptée. La méthode est basée sur l'analyse d'un signal de télévision réel avec un rapport de niveau de signal sur la fréquence porteuse de l'image de -8 dB. fréquence latérale -16 dB et fréquence porteuse -7 dB par rapport à la puissance de sortie au sommet de l'enveloppe. Les transistors pour l'amplification conjointe, en fonction de la série de fréquences et de puissances, doivent fournir une valeur pour le coefficient des composantes combinatoires du MS, en règle générale, pas supérieure à -53...-60 dB. La classe de transistors micro-ondes considérée avec une réglementation stricte de la suppression des composants combinatoires est appelée à l'étranger transistors superlinéaires [7]. Il convient de noter qu'un niveau de linéarité aussi élevé n'est généralement atteint qu'en mode classe A, où la linéarisation de mode maximale de la caractéristique de transfert peut être réalisée.
Dans la gamme des compteurs, comme le montre le tableau, il existe un certain nombre de transistors, représentés par les dispositifs KT9116A, KT91166, KT9133A et KT9173A avec une puissance de sortie crête Pvmkh.peak de 5,15, 30 et 50 W, respectivement. Dans la gamme de longueurs d'onde décimétriques, cette gamme est représentée par les appareils KT983A, KT983B, KT983V, KT9150A et POZ avec RVV1X,PIK égal à 0,5, 1,3,5, 8 et 25 W. Les transistors superlinéaires sont généralement utilisés dans les amplificateurs conjoints (en mode classe A) des répéteurs de télévision et dans les modules amplificateurs de puissance des émetteurs d'une puissance allant jusqu'à 100 W. Cependant, les étages de sortie des émetteurs de haute puissance nécessitent des transistors plus puissants qui fournissent le niveau requis de la limite supérieure de la plage dynamique linéaire lorsqu'ils fonctionnent dans un mode énergétique avantageux. Des distorsions non linéaires acceptables à des niveaux de signal élevés peuvent être obtenues en utilisant une amplification séparée en mode classe AB. Sur la base d'une analyse des conditions de fonctionnement thermophysiques du transistor et des particularités de la formation de la linéarité d'un signal monotone, une série de transistors micro-ondes a été spécialement développée pour le mode de fonctionnement de la classe AB. La linéarité des caractéristiques de ces appareils selon des méthodes étrangères est évaluée par le niveau de compression (compression) du facteur de gain basé sur la puissance d'un signal monotone - le facteur de compression Kszh ou autre - la puissance de sortie est déterminée à un certain Kszh normalisé. Pour une utilisation dans la gamme de longueurs d'onde du compteur en mode classe AB, il existe désormais des transistors KT9151A avec une puissance de sortie de 200 W et des transistors KT9174A avec une puissance de sortie de 300 W. Pour la gamme décimétrique, des transistors 2T9155A, KT9142A, 2T9155B, KT9152A, 2T9155V, KT9182A avec une puissance de sortie de 15 à 150 W ont été développés. Pour la première fois, la possibilité de créer des émetteurs modulaires à semi-conducteurs dans la gamme décimétrique avec amplification combinée des signaux d'image et audio d'une puissance de 100 W a été démontrée par les spécialistes de NEC [8]. Plus tard, des émetteurs similaires ont été créés en utilisant des transistors hyperfréquences domestiques de haute puissance 12, 9]. En particulier, dans [9] des recherches originales sont décrites pour élargir le champ d'utilisation des transistors haute puissance KT9151A et KT9152A lors de la création de modules d'amplification conjoints de 3 watts en mode classe A. Il est montré que dans ce mode, il est possible d'assurer suppression des composants combinatoires avec sous-utilisation de leur puissance de 4 à XNUMX fois la valeur nominale en mode classe AB. Des spécialistes de l'Université technique d'État de Novossibirsk ont mené des recherches sur l'utilisation de transistors hyperfréquences domestiques de haute puissance dans les modules amplificateurs de puissance de télévision avec amplification séparée. En figue. La figure 2 montre un schéma fonctionnel d'un amplificateur de puissance de signal d'image pour les chaînes de télévision 1 à 5 avec une puissance de sortie crête de 250 W. L'amplificateur est conçu selon le circuit d'amplification séparée des signaux d'image et de son. Pour les canaux 6 à 12, l'amplificateur est réalisé selon un circuit similaire avec l'ajout d'un étage intermédiaire sur un transistor KT9116A fonctionnant en mode classe A pour obtenir le gain requis.
Dans l'étage de sortie, les transistors KT9151A fonctionnent en classe AB. Il est assemblé selon un circuit push-pull équilibré. Cela vous permet d'obtenir la puissance de sortie nominale avec des circuits d'adaptation assez simples en l'absence totale d'« écho d'alimentation » et avec un niveau de composantes harmoniques paires ne dépassant pas -35 dB. La non-linéarité de la caractéristique d'amplitude de l'amplificateur est établie pour un petit signal en sélectionnant le décalage du point de fonctionnement dans chaque étage, ainsi qu'en ajustant la non-linéarité dans le modulateur vidéo de l'excitatrice. Le schéma fonctionnel d'un amplificateur de puissance pour les chaînes de télévision 21 à 60 est illustré à la Fig. 3. L'étage de sortie de l'amplificateur est également réalisé selon un circuit push-pull équilibré.
Pour assurer l'adaptation à large bande et la transition des charges asymétriques aux charges symétriques, un filtre passe-bas à deux liaisons est utilisé comme circuit de correction dans les étages de sortie des amplificateurs pour les canaux 6 à 12, 21 à 60. L'inductance de la première liaison du circuit d'adaptation est réalisée sous forme de tronçons de microlignes en bande sur des éléments de la topologie générale du circuit imprimé. Les bobines de la deuxième liaison sont les bornes de la base du transistor. La structure de ces amplificateurs correspond à la Fig. 2 et 3. La division de la puissance à l'entrée des étages d'amplification et son addition à leur sortie, ainsi que l'adaptation des entrées et sorties avec une charge standard, sont réalisées à l'aide de coupleurs directionnels à trois dB. Structurellement, chaque coupleur est réalisé sous forme d'enroulements bifilaires (lignes quart d'onde) sur un châssis placé dans un boîtier de blindage. Ainsi, les transistors hyperfréquences linéaires domestiques modernes permettent de créer des modules amplificateurs de télévision puissants - jusqu'à 250 W. En utilisant les batteries de ces modules, il est possible d'augmenter la puissance de sortie fournie au trajet antenne-alimentation jusqu'à 2 kW. Dans le cadre des émetteurs, les amplificateurs développés répondent à toutes les exigences modernes en matière de caractéristiques électriques et de fiabilité. De puissants transistors hyperfréquences linéaires ont récemment commencé à être largement utilisés dans la construction d'amplificateurs de puissance pour les stations de base d'un système de communication cellulaire. En termes de niveau technique, les transistors linéaires micro-ondes de haute puissance développés par NIIET peuvent être utilisés comme base élémentaire pour la création d'équipements modernes de radiodiffusion, de télévision et d'autres équipements économiques nationaux et de radioamateur. littérature
Auteurs : A.Assessors, V.Assessors, V.Kozhevnikov, S.Matveev, Voronezh
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