УМ на MRF9180

[ru0aog]

Доброго всем дня!
Решил выделить результаты работ конкретно по MRF9180 в отдельную ветку.
Начало можно посмотреть тут.

Итак, краткое вступление.
Мне нужен:
- походный усилитель с питанием от 12 Вольт, токопотреблением в пределах 10 А,
- мощностью 60...80 Вт,
- частотный диапазон 1,5...8,5 МГц (можно шире),
- с приемлемым для походного аппарата уровнем линейности.

В качестве простых, недорогих и относительно доступных усилительных элементов были выбраны б/у сборки LDMOS MRF9180 с алиэкспресс.
Там, где я брал, их уже нет. Но в том же магазине ещё продают похожие, но чуть менее мощные MRF9120:
https://aliexpress.ru/item/1005005593300961.html

MRF9180
Рабочее напряжение 26 В (предельное 65 В).
Рассеиваемая мощность 388 Вт.
КПД 55 %
Отдаваемая мощность 170 Вт (Uп=26В, Iп=1,4А)
ИМД3 = -31 dBc
Предельный длительный КСВ 10:1 при 170 Вт.

[ru0aog]

Схема для испытаний такая:

.
Пробовал считать выходной трансформатор.
Получилось примерно так:

Напряжение питания Еп = 12 В.
Транзистор имеет некое минимальное напряжение сток-исток, при котором он остаётся открытым (зону насыщения). Примем Uнас = 2 В.
При этом максимальный размах напряжения на стоке будет Uст.макс = Еп-Uнас = 12-2 = 10 В.
Этот размах сформирует одну полуволну сигнала. Вторую сформирует второе плечо двухтактного каскада.
Далее весь расчёт идёт только для одного плеча.

Действующее напряжение на стоке получается равным Uдейст = Uст.макс/1,41 = 10/1,41 = 7,1 В.
Если мы хотим получить мощность 60 Вт, то приведенное сопротивление стока должно составить Rст = Uдейст^2/Р = 7,1В^2/60Вт = 0,84 Ом.
При нагрузке 50 Ом, коэффициент трансформации будет Ктр = корень (Rн/Rст) = корень (50/0,84) = 7,7.
Один сток у нас работает на одну трубочку выходного трансформатора (0,5 вит), соответственно, выходная обмотка должна содержать
7,7 * 0,5 вит = 3,85 вит, т.е. 4 витка.

Амплитуда первой гармоники тока стока:
Iст1 = Рг / 0,5* Uст.макс = 60Вт / 0,5*10В = 12 А,
Сопротивление стоковой нагрузки Rст = Uст.макс / Iст1 = 10 В / 12 А = 0,83 Ом.
N2 = 0,5вит/корень(0,83/50) = 3,87 вит (4 витка).
максимальный импульс тока стока:
Iст.макс = Iст1/а1 = 12А/0,5 = 24 А,
постоянная составляющая тока стока:
Iст.o = Iст.макс*а0 = 24А*0,319 = 7,65 А.
Подводимая мощность Ро = Iст.о*Еп = 7,65А*12В = 91,8 Вт.
КПД = 60Вт/91,8Вт = 65%

[ru0aog]

Двухтоновый сигнал

Потребление усилителя

Сигнал на выходе (нагрузка 50 Ом) через делитель 1:10

Размах (7 делений, 2В/дел, 1:10) = 140 В.
Амплитуда 140/2 = 70 В.
Действующее напряжение 70*0,707 = 50 В (на самом деле, чуть больше, т.к. тут не синус, а уже ограничение).
Мощность на нагрузке 50 Ом: 50В^2/50 Ом = 50 Вт.

Спектр сигнала (АТТ = 50 дБ)

Один тон -7,39+50 = +42,61 dBm (18,2 Вт),
Второй тон -7,52+50 = +42,48 dBm (17,7 Вт),
Продукт интермодуляции 3-го порядка (маркер 3) -25,76+50 = +24,24 dBm (0,26 Вт),
Продукт интермодуляции 3-го порядка (маркер 4) -26,44+50 = +23,56 dBm (0,23 Вт),
остальные - меньше.

Не померил, но в спектре есть ещё гармоники.
Ориентировочно -11dBc, так что
третья гармоника -18,5+50 = +31,5 dBm (1,4 Вт).

[ru0aog]

Что получилось фактически?

Амплитуда напряжения на нагрузке Uнm = 70 В.
Амплитуда первой гармоники тока на нагрузке 50 Ом: Iн1 = 70В/50 Ом = 1,4 А,
Мощность в нагрузке Uнm*Iн1 * 0.5 = 70В*1,4А*0,5 = 49 Вт.

При 4-х витках вторички и 0,5 вит первички выходного трансформатора
Ктр = 4/0,5 = 8,
амплитуда напряжения на стоке Uст.макс = 70В/8 = 8,75 В.
амплитуда тока стока Iст.макс = 1,4А*8 = 11,2 А.
Iст1 = 49Вт / 0,5*8,75В = 11,2 А,
Iст.макс = 11,2А/0,5 = 22,4 А.

Uнас = 12В-8,75В = 3,25 В.

Каков вывод?
Мы получили ограничение амплитуды.
Сборка MRF9180 предназначена для работы при напряжении питания 26 В.
Попытка снять с неё мощность при пониженном напряжении питания упирается в довольно высокое остаточное напряжение стока, вследствие чего не удаётся раскачать сборку.
Нужно увеличивать напряжение.

Или же увеличить ток стоков...
Uст.макс = Еп-Uнас = 12-3,5 = 8,5 В.
Uдейст = 8,5/1,41 = 6 В.
Rст = Uдейст^2/Р = 6В^2/70Вт = 0,51 Ом.
Ктр = корень (50/0,51) = 10.
Iст1 = 70Вт / 0,5*8,5В = 16,5 А,
Rст = 8,5 В / 16,5 А = 0,515 Ом.
N2 = 0,5вит/корень(0,515/50) = 4,93 вит (5 витков).
Iст.макс = 16,5А/0,5 = 33 А,
Iст.o = 33А*0,319 = 10,5 А.
Подводимая мощность Ро = Iст.о*Еп = 10,5А*12В = 126 Вт.
КПД = 70Вт/126Вт = 55%

[ru0aog]

Поскольку эксперимент зашёл в тупик, сходил я на сайт analogtrx.com к Игорю за советом.
И мне дали хороший совет - эти транзисторы не будут хорошо работать от 12 вольт.

В итоге, я поднимаю напряжение питания до 24 В.
Наиболее выгодный режим работы транзисторов при таком питании - с вторичкой выходного трансформатора в 2 витка (первичка 0,5+0,5).
Взял 8 жилок МГТФ-а
.

.
Схема (при измерениях мощности по входу добавляется аттенюатор)

.
Подаю однотоновый сигнал.
Напряжение на стоке верхнего плеча (щуп 1:10)
Сигнал снижается практически до нуля, нет остаточного напряжения на стоках.

.
Напряжение на нагрузке (щуп 1:10)
Размах на выходе 3,8дел*5В*10 = 190 В.
Мощность сигнала на нагрузке 90 Вт.
Потребление 24Вх6,7А (161 Вт).
КПД 55 %

.
уровень сигнала по анализатору +49,65 dBm (92 Вт)

.
Подаю двухтоновый сигнал.
Размах сигнала на выходе тот же, 190 В.
При увеличении раскачки, размах немного растёт, но возникает ограничение - нелинейные искажения растут.
Поэтому в данном случае - это предел линейной мощности, что можно снять с этой схемы.

.
На спектрограмме вершина каждого из тонов на 6 дБ ниже, чем при одном тоне (+43,41 dBm)
Интермодуляционные искажения третьего порядка IMD3 = -35 dB, что весьма неплохо

.
Входной импеданс (без аттенюаторов) при входном трансформаторе на двух трубках 3+3 вит.

.
Думаю, можно так и оставить
90 Ватт более-менее чистенького сигнала с КПД 55 %.
Правда, питание от 24 В.

[ru0aog]

Продолжаем.
IMD3 = -35 dB это через чур красиво.
Может подкинуть копоти?

Выставим родное напряжение +26 В.

Один тон, +51,79 dBm = 151 Вт.
потребление 26Вх8А = 209 Вт.

.
на осциллографе размах 220 В, что составляет 120 Вт.

КПД = 57%
.
на двух тонах IMD3 = -20,87 dB, что совсем неплохо

.
на осциллографе размах = тем же 220 В.

.
гармоники вполне приличные, как раз для ФНЧ

[ru0aog]

Ну что, сгорел...
сгорел китайский щуп осциллографа, не выдержал такого напряжения

так что пока покажу откорректированную схему

5 ватт на вход подаём, 150 Вт на выходе получаем.
При кривой сборке может блудить. Тогда в цепочки ООС надо 220 Ом вместо 390 ставить.
.
АЧХ
на 56 МГц тоже усиливает, но с завалом в 3 дБ.

.
теперь надо придумать схему включения РТТ, чтобы сигнал случайно не попал на затворы при отсутствии смещения.

[ru0aog]

"Маловато будет, Ма-ла-ва-то!"

Так как симметрирующий транс тут не прижился, то образовалось свободное место около выходных цепей.
Решил туда поставить ФНЧ.
55 МГц конечно он усиливать не будет, так что обрезаем всё, что выше 30 МГц.
Аварийный резистор 820 Ом 1Вт на выходе совсем почернел, заменю его на два 1к5 2Вт. Совместно с ФНЧ это будет являться защитой от обрыва и КЗ выхода. Транзистор очень крепкий по выходу, по даташиту специфицирован выдерживать КСВ 10:1 на выходной мощности 170 Вт.
1к5//1к5 это КСВ 15:1, надо ещё парочку таких подкинуть...

Ладно, аттенюатор на входе -10 дБ я уменьшать не буду, затворы не допускают отрицательного напряжения. Открытый вход допускает 1 ватт максимума, после которого с большой долей вероятности затворы выгорят, значит с аттенюатором пик в 10 ватт будет являться пределом.

пока так:

.
АЧХ всего усила (аттенюатор на нагрузке 30 дБ)
На малом уровне сигнала усиление вышло +13 дБ
неравномерность в полосе 1,5...32 МГц = 1 дБ

.

.
гармоники выше 50 МГц не видны (уровень ниже -75 dBc)

.
В прошлый раз я устанавливал такой уровень раскачки, чтобы получить IMD3 не более 20 дБ.
Теперь качнём на полную (для ТХ-500 в режиме настройки) и посмотрим, что будет на выходе.
Так как мощности уже более 100 Вт, то добавим по входу аттенюации. -30 дБ в нагрузке и -30 дБ перед анализатором.
+60-6,77 = +53,23 dBm = 210 Вт, что странно учитывая потребляемую мощность 225 Вт. Режим класса С?
Щуп осциллографа сгорел, проверить размах пока не могу.
.

.
IMD3 = 16,27 dB

[ru0aog]

Да, после изменения цепей ООС (390 Ом вместо 220), изменился входной импеданс.
Снято без аттенюатора. С аттенюатором понятно, что везде единица
.

[ru0aog]

Начал разбираться, как так может быть, чтобы выходная мощность была почти равна потребляемой.
Нашёл, что один из моих аттенюаторов привирал чутка...
В общем, там где я намерил 210 Вт, было всего 155 Вт

Нужен более точный измеритель мощности.