MOS 場效應(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，貴州 貴陽550000）

1 MOS 場效應(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)量優(yōu)、技術(shù)維護(hù)少、整機(jī)壽命長等,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，MOS 場效應(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，同時還可能受到雷電、雨雪等惡劣環(huán)境的影響，其穩(wěn)定性對發(fā)射機(jī)的正常工作至關(guān)重要。

MOS 場效應(yīng)管即金屬-氧化物-半導(dǎo)體型場效應(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)體的場效應(yīng)晶體管）。一般有耗盡型和增強(qiáng)型兩種，增強(qiáng)型場效應(yīng)管又分為NPN 型和PNP型。 NPN 型通常稱作為N 溝道型，場效應(yīng)管是，一種電壓控制器件,猶如一個開關(guān)，但是與一般開關(guān)不同的是，它是用電壓來控制它的導(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, 同時這也是稱為場效應(yīng)管的原因。場效應(yīng)管的噪聲系數(shù)很小,低噪音放大電路的輸入級及要求信噪比較高的電路中常常作為最佳選擇，場效應(yīng)管也用作組成各種放大電路和開關(guān)電路, 具有輸入電阻高（100MΩ～1 000MΩ）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(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)型場效應(yīng)管

2 場效應(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)中無論是預(yù)驅(qū)動放大級、驅(qū)動放大級還是射頻功率放大級，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。每個射頻功率放大器都采用4 個N 溝道的MOS 場效應(yīng)管構(gòu)成一個H 型橋式開關(guān)放大器，以丁類開關(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

模塊每個部分有兩個場效應(yīng)管組成，每對場效應(yīng)管輪流導(dǎo)通或截止，作用猶如開關(guān)，輸入到兩個場效應(yīng)管的射頻推動信號相位相差180 度，所以當(dāng)V1 導(dǎo)通時，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)推動級模塊外，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)載接在兩個半橋的源漏連接點(diǎn)之間。由于兩個半橋MOS 管柵級的驅(qū)動變壓器接法相反，因此使得兩個半橋的導(dǎo)通和關(guān)閉狀態(tài)正好相反。

作者簡介：陳玫君（1992，10-），女，籍貫：貴州畢節(jié)，職稱：初級工程師，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)動信號的激勵下V1、V4 和V2、V3 輪流導(dǎo)通和斷開。當(dāng)V1、V4 斷開，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，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)動信號的不斷激勵下，在負(fù)載T 上就能輸出幅度為2V 的射頻方波信號,如圖4(c)所示。

利用場效應(yīng)管的高速開關(guān)特性和低飽和壓降特點(diǎn)，以及不需要嚴(yán)格對稱和復(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 常見故障分析

在使用場效應(yīng)管作為功率放大器件的全固態(tài)廣播發(fā)射機(jī)中由于場效應(yīng)管長期處于大電流工作狀態(tài), 同時在發(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)工作一段時間以后有些末級場效應(yīng)管將會因?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)常會遇到我臺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，第一檢查保險是否熔斷，第二用手輕摸各個元器件的溫度，第三檢查各個接線口是否松動。初步判斷故障點(diǎn)以后，再借助儀器來判斷和維修。先用萬用表測試功放板上的保險，隨即發(fā)現(xiàn)其中一個保險兩端無阻值，保險管熔斷表明很有可能有一個或兩個對應(yīng)側(cè)的場效應(yīng)管有故障，即先檢查該保險所在側(cè)的場效應(yīng)管，若兩側(cè)保險均損壞應(yīng)更換所有的場效應(yīng)管。再用萬用表檢查場效應(yīng)管，黑表筆接D 級，紅表筆分別接S 級和G 級，測得Rds 為0, Rdg 也為0，既表明場效應(yīng)管故障。正常時萬用表測Rds 應(yīng)為412 歐姆-515 歐姆，Rdg 應(yīng)為960 歐姆-1.1 千歐姆。所以對調(diào)制功放板中損壞的保險和場效應(yīng)管統(tǒng)一進(jìn)行更換，在更換場效應(yīng)管時要特別注意，因?yàn)閳鲂?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。由于場效應(yīng)管的控制柵極輸出阻抗很高，人體的靜電會損壞其柵極部分，所以除了使用和測試外，都應(yīng)將場效應(yīng)管放在防靜電的包裝袋中。同時在場效應(yīng)管的焊接過程中也應(yīng)該盡量減少焊接時間，避免因長時間的高溫焊接損傷場效應(yīng)管，更換完場效應(yīng)管和保險管后，檢查功放板的工作情況。用萬用表測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)的場效應(yīng)管各極間電阻值相差不大，既證明場效應(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)行時注意檢查機(jī)器聲音是否正常，例行檢修時檢查各部件有無松動，特別是導(dǎo)體連接部分，防止接觸松動而發(fā)熱。在故障記錄本上,及時將故障進(jìn)行分類對比歸納整理, 經(jīng)常堅持深入分析機(jī)器故障, 將不斷提高處理故障和預(yù)防性檢修的能力。