マスキシステム(有)
大電力パワーアンプ
シングルアンプは 中電力のページで設計方法を解説しています
ここでは ＬＤＭＯＳ－ＦＥＴを使用したプッシュプルでのアンプ設計を説明します
全体の考え方として シングルアンプをバランス接続し合成する事を中心に説明します
４７０～７７０ＭＨｚ ５０Ｗ－ＡクラスＡＭＰ
設計手順
① 出力側負荷インピーダンスを決める
所要電力を 半分ずつシングルアンプに割付 シングルの考え方で決めて構いません
最大出力電力 ５０ｗのアンプを考える時 （ 電源電圧 ２８Ｖ 時 ）
片側２５ｗですが インピーダンスを考える時 DC供給電力は２倍の 片側５０ｗとし
デバイス内部抵抗と所要負荷抵抗値を計算します
ＲＦ電圧実効値 ＝ ２８ ÷ １．４１４ ＝ ２０ｖ
Ｒ ＝ Ｅ ｘ Ｅ ／W ＝ ２０ｖ ｘ ２０ｖ ／５０ｗ ＝８Ω
これを内部抵抗と負荷抵抗に振り分けます
内部抵抗 ｒ＝４Ω以下で 負荷 Ｚ＝４Ωであれば２５Ｗ出力が可能です
内部抵抗はデバイスごとに最低値が有り 普通データシートに記載が有ります
これに合わせた負荷インピーダンスで出力すると最大出力が出せます
＊ 最大出力可能電力条件 ｒ ＝ Ｚ
② デバイス電流
Ａクラスの場合最大効率が５０％なので 片側２５Ｗ取り出すには ５０Ｗ消費させます
Ｉ ＝ Ｐ ÷ Ｅ ＝ ５０ ÷ ２８ ＝ １．８Ａ
両方で ２倍の ３．６Ａを ＤＣ電流として流す必要が有ります
Ｂクラス、Ｃクラスの場合は 入力信号のレベルに合わせて 電流が増えていきます
利得はＡクラスより下がりますが 電源効率は上昇します
インピーダンスに対する考え方は同じです
③ インピーダンス変換
ＦＥＴのドレインから負荷側を見た時のインピーダンスは必要パワーに合わせて
設定しましたが 最終的にはケーブルインピーダンスの５０Ωにする必要が有ります
１つの周波数で変換する事は比較的簡単ですが 広帯域にインピーダンスを変換
することは かなり大変です
ＰＡ設計が出来るメーカー／技術者が少ない理由も 此処に有ります
【 例 】
最終片側 ２５Ω バランス出力で ５０Ωに成るような変換回路構成をします
上記 ８Ω を ５０Ωにするには １：４バルンを活用し
８Ω --＞ １２．５Ω ―＞ ５０Ω （バルン １２．５ ―＞ ５０ ）
８Ω ―＞ １２．５Ω は １段 又は２段の ＬＣ回路で行ないます
デバイスに存在する出力の容量分も ＬＣに含めてうまく消す必要が有ります
変換の方法や注意点は シングルアンプと同様ですが プッシュプル動作ですので
バランス出力となっています
平衡出力を 不平衡出力に変換する回路が必要と成ります
大きい電力を扱いますので 市販品は殆ど有りません
コアと同軸ケーブルを使用し自分で作る必要が有ります
④ 入力インピーダンス
入力側も バランス回路が必要です １８０°位相差を持たせ２分配します
分配後は各々のデバイスの入力インピーダンスに合わせます
入力容量が大きく 抵抗値も低い場合が多いので 広帯域化は結構苦労します
⑤ 実設計に於けるパワー設定
ＣＷ、ＦＭの場合はこれで良いのですが ＡＭやﾃﾞｼﾞﾀﾙ変調ではもう少し
出力パワーに対し配慮が必要です
１０Ｗ ＡＭ変調の場合
ＡＭで１００％変調を掛けますと 変調波のピーク電圧は無変調時の２倍に成ります
電圧が２倍に成りますと オームの法則により電流も２倍となり 瞬間の電力は４倍です
つまり ４０Ｗまで直線性が延びていないと 変調は歪んでしまいます
デジタル変調も 方式によっては バックオフ ７ｄＢ～１０ｄＢ必要とする場合が有ります
つまり １０Ｗの送信機の実力は１００Ｗ程度必要と成ります
⑥ バイアス電圧 （ ドレイン電流 ）の考え方
Ａクラスで動作させるには 効率はＭＡＸで５０％ですが 通常３０％程度です
ピークパワーに合わせて ドレイン電流も流します
１０ＷのＡＭ変調送信機は ＭＡＸ４０Ｗ－ＲＦ出力 効率３０％で １２０Ｗ ＤＣ電力
ＤＣ＝２５Ｖでは Ｉ＝４．８Ａとなります （効率５０％でも Ｉ＝３．２Ａ 必要）
⑦ 入力マッチング回路での注意
ＦＥＴのゲートのインピーダンスは 数Ω以下 並列負荷容量もかなり大きいのが
普通です
峡帯域の場合は ５０Ωから ＦＥＴのインピーダンスに変換すれば良いでしょう
中帯域では ２倍を目安に 何段かで変換します
広帯域ですと 全ての周波数を５０Ωに変換するのは至難の業です
広帯域のインピーダンス変換バランなどを上手に使いこなす必要が有ります
又 入出力とも ５０Ωにマッチングを取りますと 周波数の低い方がゲインが高く
周波数の高い方はゲインが低くなり 周波数に対しフラットな特性は得られません
周波数の高い方を５０Ωに成る様マッチングを取り 低い周波数は移動させずに
ロスしても許容すると 全体ゲインがフラットにしやすい場合も有ります
⑧ 周波数特性 （広帯域化）
広帯域化の要素は ２つ有ります
Ａ．最大出力（飽和電力）のフラット化
ＦＥＴの出力回路のマッチングのみで決定します
負荷容量打消しとインピーダンス変換テクニックで決まります
広帯域化は 負荷容量をいかに周波数に関係させずにマッチング取るかです
Ｂ．リニア部分でのゲインのフラット化
出力のマッチング特性と 入力側のマッチング特性の和で全体の特性が決まります
調整時は Ａで出力側を決め その後から 入力側の特性を決めるのが良いでしょう
殆どのＦＥＴは入力インピーダンスの 純抵抗成分も低く変換率が大きく
出力負荷容量と比較して２倍位が入力負荷容量の場合がほとんどです
その分これを打ち消したり 周波数特性に影響を少なくするのは大変です
シングルもプッシュプルも ゲイン特性をフラットにする決め手は フィードバックです
高い周波数でフィードバック効果を出さず ゲインを維持させ 周波数が低くなるほど
ゲインを一定に成る様定数を決めます
フィードバックには ある程度の配線長が必要ですが この配線長をＬとして活用
すれば 高い周波数でゲインを落とさず 低い周波数で帰還回路が有効に動作出来ます
⑨ 最大電力？
上で扱う電力は Ｐ１ｄＢ を言います
飽和電力は Ｐｓａｔ と呼びますが おおよそ Ｐ１ｄＢ ＋ ２ｄＢ 程度となります
取り出せる最大電力は デバイスごとにドレイン内部の純抵抗値に寄ります
内部抵抗が４Ωなら ＦＥＴのドレイン端子から出力側を見たインピーダンスも
４Ωにした時が最大出力と成ります
ＤＣ電圧 ２８Ｖとすると ＲＦ信号のクリップ電圧は ５６Ｖｐｐとなり 交流ピーク電圧は
２８Ｖ 実効値は ２８÷１．４１４＝２０Ｖ
信号源に対する負荷は ４Ω＋４Ω＝８Ω であり
これに発生する電力は Ｐ ＝ ２０ Ｘ ２０ ÷ ８ ＝ ５０ Ｗ
ＦＥＴ内部に消費される電力と 負荷に出力される電力は抵抗値が等しいので
半分ずつと成ります Ｐｏ＝ ２５Ｗ
プッシュプルですと 電力は２倍の５０Ｗ 出力インピーダンスも２倍の８Ωと成ります
これ以上は バイアスを上げて電流を増やしても 出力は上がりません
電源電圧を上げて 信号源のＲＦ電圧を上げる必要が有ります
つまり 電源電圧が固定であれば デバイスごとに取り出せる最大電力は決まっている
と言う事に成ります
⑩ プッシュプルかパラ接続か
いずれも大きな出力を得る為の方法ですが それぞれ特徴が有ります
周波数や目的に合わせて 選択します
【 各回路の特徴 】
パラ接続 外部回路構成が簡単に成ります
内部抵抗 ｒ が半分に成りますので Ｚも半分に出来ますので
２倍の電力が扱えます
インピーダンスが１／２ 並列容量が２倍に成りますので
５０Ωへのインピーダンス変換が大変と成ります
プッシュプル 外部回路構成の部品が増えます 合成回路も必要です
合成だけで２倍のインピーダンスに変換出来ますし
各々のインピーダンスも元の値で扱えますので ５０Ωへの変換率が
パラ接続と比較し１／４で済みます
ドレインの並列負荷容量が増えないのも広帯域には扱いが簡単です
