MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的探討及應(yīng)用

陳玫君 覃家和 王旭初

（貴州省廣播電視局五〇一臺(tái)，貴州 貴陽(yáng)550000）

1 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管功能和特點(diǎn)

隨著廣播電視技術(shù)的不斷更迭發(fā)展, 傳統(tǒng)式電子管調(diào)制功放電路被大功率MOS 場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)管功放所替代，發(fā)射機(jī)的全固態(tài)化已成為主流。全固態(tài)發(fā)射機(jī)擁有諸多優(yōu)點(diǎn)：使用費(fèi)用低、工作效率高、產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)、技術(shù)維護(hù)少、整機(jī)壽命長(zhǎng)等,它有效克服了電子管發(fā)射機(jī)存在的各種缺陷：運(yùn)行成本高、工作效率低、線性和非線性失真、自激震蕩、整機(jī)電子管壽命短等。

當(dāng)全固態(tài)中波發(fā)射機(jī)工作時(shí)，MOS 場(chǎng)效應(yīng)管處于大電流工作狀態(tài)，特別是在發(fā)射機(jī)功放模塊的高溫環(huán)境下，同時(shí)還可能受到雷電、雨雪等惡劣環(huán)境的影響，其穩(wěn)定性對(duì)發(fā)射機(jī)的正常工作至關(guān)重要。

MOS 場(chǎng)效應(yīng)管即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場(chǎng)效應(yīng)管，英文縮寫 為 MOSFET （Metal -Oxide -Semiconductor Field -Effect -Transistor，即金屬氧化物合成半導(dǎo)體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管）。一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種，增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管又分為NPN 型和PNP型。 NPN 型通常稱作為N 溝道型，場(chǎng)效應(yīng)管是，一種電壓控制器件,猶如一個(gè)開(kāi)關(guān)，但是與一般開(kāi)關(guān)不同的是，它是用電壓來(lái)控制它的導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)，既它輸出電流由輸入的電壓控制如圖1，即柵極電源UGS 控制漏極電流ID,可以認(rèn)為輸入電流極小或者沒(méi)有輸入電流,其直流輸入電阻和交流輸入電阻都非常高，既該器件就有很高的輸入阻抗, 同時(shí)這也是稱為場(chǎng)效應(yīng)管的原因。場(chǎng)效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小,低噪音放大電路的輸入級(jí)及要求信噪比較高的電路中常常作為最佳選擇，場(chǎng)效應(yīng)管也用作組成各種放大電路和開(kāi)關(guān)電路, 具有輸入電阻高（100MΩ～1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動(dòng)態(tài)范圍大、易于集成、沒(méi)有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挕岱€(wěn)定性好、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)。

圖1 增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管

2 場(chǎng)效應(yīng)管在射頻放大器上的應(yīng)用

射頻功率放大器是發(fā)射機(jī)最后的射頻大功率放大部分，它包括48 塊射頻功放板、3 塊功率合成母版以及射頻功率合成器。在DM10 發(fā)射機(jī)中無(wú)論是預(yù)驅(qū)動(dòng)放大級(jí)、驅(qū)動(dòng)放大級(jí)還是射頻功率放大級(jí)，所用的射頻放大模塊都是相同的，可以互換，因此,了解射頻功率放大版的基本原理是很有必要的。每個(gè)射頻功率放大器都采用4 個(gè)N 溝道的MOS 場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成一個(gè)H 型橋式開(kāi)關(guān)放大器，以丁類開(kāi)關(guān)放大方式工作，這種連接方式稱之為橋式功放。橋式功放有兩種工作方式：既半橋工作方式和全橋工作方式。

2.1 半橋工作方式

半橋工作方式可用圖2 表示，場(chǎng)效應(yīng)MOS 管V1 的源極與V3 的漏極相連，V1 的漏極接電源，V3 的源極接地。負(fù)載T 接在V1 源極和V3 漏極的連接點(diǎn)，另一端接地。

圖2 半橋工作方式

模塊每個(gè)部分有兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成，每對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管輪流導(dǎo)通或截止，作用猶如開(kāi)關(guān)，輸入到兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的射頻推動(dòng)信號(hào)相位相差180 度，所以當(dāng)V1 導(dǎo)通時(shí)，V2 截止，反之。這樣輸出就在地電位和供電電壓之間轉(zhuǎn)換，如圖3。

2.2 全橋工作方式

除了預(yù)推動(dòng)級(jí)模塊外，其余射頻放大器模塊全部工作在全橋方式。全橋工作方式如圖3 所示，負(fù)載接在兩個(gè)半橋的源漏連接點(diǎn)之間。由于兩個(gè)半橋MOS 管柵級(jí)的驅(qū)動(dòng)變壓器接法相反，因此使得兩個(gè)半橋的導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)正好相反。

作者簡(jiǎn)介：陳玫君（1992，10-），女，籍貫：貴州畢節(jié)，職稱：初級(jí)工程師，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：電子信息。

圖3 射頻輸出波形OUT 方波

在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的激勵(lì)下V1、V4 和V2、V3 輪流導(dǎo)通和斷開(kāi)。當(dāng)V1、V4 斷開(kāi)，V2、V3 導(dǎo)通，在負(fù)載T 上所得右正左負(fù)電壓為V，如圖4（a）所示。

當(dāng)V1、V4 導(dǎo)通，V2、V3 斷開(kāi)，在負(fù)載T 上得到右負(fù)左正電壓為V。如圖4(b)所示。所以在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不斷激勵(lì)下，在負(fù)載T 上就能輸出幅度為2V 的射頻方波信號(hào),如圖4(c)所示。

利用場(chǎng)效應(yīng)管的高速開(kāi)關(guān)特性和低飽和壓降特點(diǎn)，以及不需要嚴(yán)格對(duì)稱和復(fù)雜的直流偏置和負(fù)反饋，大大的提高了發(fā)射機(jī)的穩(wěn)定性，獲得了比甲、乙類放大器高功率的輸出。

圖4 半橋工作方式

3 常見(jiàn)故障分析

在使用場(chǎng)效應(yīng)管作為功率放大器件的全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)中由于場(chǎng)效應(yīng)管長(zhǎng)期處于大電流工作狀態(tài), 同時(shí)在發(fā)射機(jī)功放模塊內(nèi)溫度較高的環(huán)境下工作，因此全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)工作一段時(shí)間以后有些末級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管將會(huì)因?yàn)榉N種原因而出現(xiàn)故障，使全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)總的功率輸出減小對(duì)廣播發(fā)射機(jī)的各項(xiàng)性能產(chǎn)生影響。

工作中經(jīng)常會(huì)遇到我臺(tái)540KHz 10KW 的發(fā)射機(jī)調(diào)制功放盒指示燈異常故障。一般先通過(guò)觀察初步判斷故障點(diǎn)，關(guān)閉電源，取出亮紅燈的功放盒，第一檢查保險(xiǎn)是否熔斷，第二用手輕摸各個(gè)元器件的溫度，第三檢查各個(gè)接線口是否松動(dòng)。初步判斷故障點(diǎn)以后，再借助儀器來(lái)判斷和維修。先用萬(wàn)用表測(cè)試功放板上的保險(xiǎn)，隨即發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)保險(xiǎn)兩端無(wú)阻值，保險(xiǎn)管熔斷表明很有可能有一個(gè)或兩個(gè)對(duì)應(yīng)側(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管有故障，即先檢查該保險(xiǎn)所在側(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管，若兩側(cè)保險(xiǎn)均損壞應(yīng)更換所有的場(chǎng)效應(yīng)管。再用萬(wàn)用表檢查場(chǎng)效應(yīng)管，黑表筆接D 級(jí)，紅表筆分別接S 級(jí)和G 級(jí)，測(cè)得Rds 為0, Rdg 也為0，既表明場(chǎng)效應(yīng)管故障。正常時(shí)萬(wàn)用表測(cè)Rds 應(yīng)為412 歐姆-515 歐姆，Rdg 應(yīng)為960 歐姆-1.1 千歐姆。所以對(duì)調(diào)制功放板中損壞的保險(xiǎn)和場(chǎng)效應(yīng)管統(tǒng)一進(jìn)行更換，在更換場(chǎng)效應(yīng)管時(shí)要特別注意，因?yàn)閳?chǎng)效應(yīng)管的焊接與更換是否成功，關(guān)鍵在于是否做好了防靜電的措施。由于場(chǎng)效應(yīng)管的控制柵極輸出阻抗很高，人體的靜電會(huì)損壞其柵極部分，所以除了使用和測(cè)試外，都應(yīng)將場(chǎng)效應(yīng)管放在防靜電的包裝袋中。同時(shí)在場(chǎng)效應(yīng)管的焊接過(guò)程中也應(yīng)該盡量減少焊接時(shí)間，避免因長(zhǎng)時(shí)間的高溫焊接損傷場(chǎng)效應(yīng)管，更換完場(chǎng)效應(yīng)管和保險(xiǎn)管后，檢查功放板的工作情況。用萬(wàn)用表測(cè)Rds 阻值在412 歐姆-515 歐姆之間，Rdg 阻值在960 歐姆-1.1 千歐姆之間，且兩側(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管各極間電阻值相差不大，既證明場(chǎng)效應(yīng)管的更換基本成功，最后將已修好的射頻放大器放在正常工作極或者工作故障發(fā)生處，故障紅燈滅，發(fā)射機(jī)各表值正常，即為故障排除。

4 維修小結(jié)

日常工作中加強(qiáng)機(jī)器的保養(yǎng)與維護(hù)，可有效避免或者降低故障的發(fā)生，注意機(jī)房防塵、控溫、調(diào)濕，運(yùn)行時(shí)注意檢查機(jī)器聲音是否正常，例行檢修時(shí)檢查各部件有無(wú)松動(dòng)，特別是導(dǎo)體連接部分，防止接觸松動(dòng)而發(fā)熱。在故障記錄本上,及時(shí)將故障進(jìn)行分類對(duì)比歸納整理, 經(jīng)常堅(jiān)持深入分析機(jī)器故障, 將不斷提高處理故障和預(yù)防性檢修的能力。