HF SSB PA-trin ved OZ2ACV – Jens OZ3EDR Struer

Agenda •Kort Præsentation af Thrane & Thrane •Grundlæggende om PA •PA Blok diagram •Klasse A og Klasse AB forstærkeren •Power og Intermodulation, Linearitet •Performance forskelle på MOSFET, Bipolar og Rør PA •Diagram 250W Bipolar og 150W MOSFET •Valg af transistorer •Biaskredsløb Bipolar/MOSFET •Filtrering med elliptiske filtre •Udgangstrafoen •ALC og SWR •Spørgsmål

Thrane & Thrane og SP Radio I gamle dage SP Radio Kendt for ”de grønne”Radioer.

Thrane & Thrane Ålborg •HF SSB, 150W til 500W•VHF og UHF

Thrane & Thrane er også

PA trin overordnet •Tre forstærker trin •5 mW ind, 250W ud •47 dB power gain •Lavpas filtre, Diplexer til afsluttelse af 3. harmonisk •-43dB harm. dæmpning •SWR beskyttelse •ALC power kontrol •Vcc = 24 V (21.6 – 31.2 V) Ipa = 20A •Push-pull udgang og driver

PA Blokdiagram

Klasse A forstærker Nødvendig RL for ønsket Pout: Max teoretisk virkningsgrad: • Høj hvilestrøm nødvendig • Kun velegnet til små effekter • Høj Linearitet • Lav virkningsgrad • Velegnet som predriver

Klasse AB forstærker •Klasse AB Collector-collector belastning: Basis-Basis impedans: Trafo impedans omsætning: Nødvendig Rcc for ønsket Pout: Teoretisk max virkningsgrad:

Gain Fordeling Pre-driver Driver PA 3:1 4:1 1:3 Gp =12 dBGp=18 dBGp=17 dB P_in = 5 mW 250 mW16 W Po = 250W +54 dBm +42 dBm+24 dBm + 7 dBm

Måling på et PA trin • To tone test signal for SSB PA • Power og linearitet (Intermodulation)‏ • Harmonisk og Spurious • To tone power => PEP • To tone signal set på et oscilloskop

To tone test signal

Undgå at presse dit PA trin Uacceptabel linearitet Tilfredsstillende linearitet Meget flot linearitet

Uønsket Sender Udstråling • IMD kan ikke filtreres væk! • Harmoniske kan filtreres • Spurious kan filtres hvis de ikke er for tæt på carrier

Teori om Intermodulation Input signal: Forstærker response: Udgangs signal: Anden ordens del: Tredie ordens del:

Bipolær, MOSFET og RØR • IMD performance afhængig af forstærker type • MOSFET og RØR har god højere orden IMD, dvs, lavere splatter på nabokanal. Bipolær PAMOSFET PA RØR PA

IMD Opsummering •Kunsten i SSB PA design er at opnå mindst mulig Intermodulation ved højest mulig Power. •IMD opstår pga. ulinearitet •Linearitet nødvendig fordi vi kører SSB •IMD giver splatter på nabokanalerne •IMD giver forvrænget modulation •IMD ved en given Power giver et mål for PA trinnets ydeævne •Snak aldrig om SSB PA power uden at nævne ved hvilken IMD

Hvordan opnås høj power og god IMD •Det er det vi skal snakke om resten af foredraget •Tilpas valg af udgang og driver transistorer, Vælg ikke for små transistorer til opgaven •Vælg en passende Vcc afhængig af ønsket power •Transistor tilbagekobling •IMD fra bagved liggende trin skal være bedre end IMD for efterfølgende trin •Bias spænding under kontrol, evt softbias. •Softbias og bånd afhængig bias •Lav tab i trafo og lavpasfiltre •Ingen form for selvsving •God termisk køling 3:1 4:1 1:3

Power og IMD forbedringer • Soft bias undertrykker 3. rd IMD • Uden soft bias Tilbagekobling • Tilbagekobling og softbias (soft klipping)‏

Trafoerne – hvorfor sidder de der •Effekt tilpasning på udgang, 50 ohm til Rcc •Impedanstilpasning på indgang, 50 ohm til Zbb •Interstage match i fler-trins PA •Husk at frekvenskompensere trafoen • C1 lavfrekvens kompensering • C2 og C3 højfrekvens kompensering

Trafo frekvensgang Det ses at Tab stiger med frekvens

Udgangs trafoer – Effekt og Z tilpasning • Standard trafoen • Let at producere • Parede trafokerner • Gode HF egenskaber • HF og 6 m • Besværlig at producere • Forbedring af øverste trafo • Transmissionslinie trafo • Høj båndbredde • Besværlig at producere

Kernematriale til Bredbåndstrafoer •Ferrit anvendes. •Kernematriale skal ”forsvinde” ved stigende frekvens. •Kobling mellem primær og sekunder ved høje frekvenser sker uden hjælp fra ferritten. •Max flux må ikke overskrides, medfører mætning. •Curie temperatur må ikke overskrides (210 grader Permax 54).

Beregninger på kernematriale • Tommelfingerregel: Bmax = 0.3 T • Vælg en kerne med permabillitet mellem 100 og 250. • OZ januar 2002, OZ7TA • OZ , OZ7TA • OZ4NJ.dk hjemmeside 1 Tesla = gauss

Udgangs filtre •Undertrykker harmonisk udstråling •Justres i produktionen •Diplexer til afsluttelse af 3. Harm kan forbedre PA performance. •Lige harmoniske dvs. 2, 4, 6 osv er udbalanceret i udgangs trafoen. •Undertrykker ikke dårligdomme som IMD, selvsving og spurious.

Lavpas filtre •Med diplexer •Uden diplexer

Valg af Toroider og kondensatorer •Hav styr på tab og max kerne flux. •Hav styr på Kerne temp. •Brug et simulerings program til at beregne max spænding og strøm i kondensatorer. •MICA kondensator er bedst men dyrest. •Lavpris KCK benyttes i stor udstrækning i amatør og professionelt udstyr ICOM 756 PRO III SAILOR 5000

Valg af Udgangs transistorer •MOSFET eller BJT, matched pair. •12V, 24V eller 48V. Måske endda 100V MOSFET!. •Udvalget er ikke ret stort. Kun nyudvikling indenfor MOSFET. •Frekvenser højere end 6m, overvej MOSFET. •Vælg høj spænding, til high power PA. •Efter hånden er der ved at komme lavpris MOSFET. •Ellers indtil nu langt det billigste at vælge Bipolær. •Termisk modstand, junction til case så lav som muligt. •Stabilitet – ikke så let med MOSFET som med BJT. 12 VSD – 150W 24 VMRF – 150W 24 VMS – 350W 48 VTH W VccTransistorEffekt Klasse

MOSFET versus BJT MOSFET •Kan gå højere op i frekvens •Højere orden IMD meget bedre •Temp. sporing ikke så kritisk •”Simpel” Bias •Høj 2. Harmonisk •Størrer tendens til selvsving BJT •Lav pris: Watt/kr. •Termisk runaway skal forhindres •Lav 2. harmnisk •Lille tendens til selvsving •IMD stiger ved lav power •Anbefales til amatør byggeprojekter

Bias Kredsløb BJT •Forsyner biasstrøm til driver og PA. Vbias = 0.7 V. •Indstilling af Bias potmeter vigtig for IMD performance. •Sproring kredsløb i termisk kontakt med PA transistorer. •Sikre tilfredstillende IMD over fra –15 grader til + 55 grader. •Sikre tilfredstillende IMD ved kontinuert TX i 15 minutter •Forhindre termisk runaway. Dvs. skrue ned for Bias stigende temperatur •Over et bredt frekvens område kan man med fordel ændre bias Simplet Bias kredsløbBias kredsløb med hurtig start op

Bias MOSFET • Gate DC pull down • Sikring Stabilitet på Gate • Krav til turn-on tid • Individuel bias • Lav impedant afkobling • Temperatur sporing Hurtig Turn off/on Langsom Turn off/on • Simpel MOSFET Bias

Beskyttelses kredsløb •Max Temperatur •SWR beskyttelse •Max udgangseffket •Max strøm i PA transistorer •Max spænding over PA transistorer SWR beskyttelse Power regulering (ALC)‏ Forward og reflected power

PA Køling • Indbyg temperatur måler • Vælg transistorer med lav termisk modstand, junc-case • Forceret køling med blæser meget effektiv • Kernematriale og Curie temp • Regn evt. på det.

Enkelt trins PA trin •Overkommelig byggeprojekt •Low cost udgangs transistorer i små PA •Kun et trin •5W ind 30 W ud •Godt trin at Starte med 30W FARA AMP FT W

Spørgsmål og tak for iaften