dsPICでSSBトランシーバー（10Wリニアアンプ）
カテゴリ<SDR> [7MHz 自作]
dsPICをSSBジェネレーターとしたトランシーバーが、ほぼ期待通りに動き始めましたので、次は、これに接続するリニアアンプの検討です。 以前、HDSDR用のトランシーバーを製作したとき、MOS-FET IRFI510による10Wアンプを作っていますが、この時の電源電圧は18Vでした。 今回は、DC12Vで10Wの出力が得られるリニアアンプの検討です。
前回の経験から、MOS-FETによるリニアアンプのノウハウは理解していますので、まず、2SK2796Lにてトライしてみました。
2SK2796LのVgs対Idsの特性は左上のグラフデータのごとく、かなり急峻に立ち上がっています。 これは、100Wリニアアンプを検討した時のFKI10531と似た特性ですが、前回は35Vの電源でしたが、今回は12V電源です。 もしかしたらいけるかな？とトライしましたが、アイドル電流を調整中に熱暴走してあっけなく壊れました。 （この２SK2796Lは後述しますが、MRF477より良い結果が得られました。） 次に、このVgs対IdsがかなりなだらかなTK2Q60Dでトライしました。 熱暴走は起こりませんが、最大出力は3.5Wでした。 Rds 3.2Ωが効いて、出力はターゲットに届きませんでした。
MOS-FETによるリニアアンプは電源電圧を高くしないと、効率よくパワーが出てくれないようです。 そこで、トランジスタによるリニアアンプにトライする事にします。
ジャンク箱をかき回すと、3種類のトランジスタが見つかりました。 2SC1969 2SC1791 MRF477 いずれも、2石ペアです。 この中で、2SC1969だけは、放熱フィンがコレクタとなっており、放熱板に取り付けるとき、絶縁する必要があります。他の2品種はフィンがエミッタとなっており、放熱板にビス止めするとき、絶縁が不要です。 そこで、まず、２SC1791でトライします。
この2SC1791は175MHzで6W出せるVHF用のパワーTRです。 放熱板に取り付け、バイアス電流を1石当たり100mAに調整すべく、1mAから次第に大きくしていったのですが、50mAくらいになった途端、異常発振が起こり、Icは3Aくらいまで上昇し、DC電源のプロテクタが働いてしまいました。 結局、一度も増幅することなく、2石ともショート状態で壊れてしまいました。
1時間くらい落ち込んだ後、気を取り直して、 トランジスタをMRF477に変更しました。
当初、2SC1792用のバイアス回路で、トライしたのですが、半固定抵抗を最大にしてもアイドル電流が2Aを超えてしまいます。 そこで、D2のRB521Sをショートして、再度電源ONすると、バイアス電流を可変する事が出来るようになりました。 このTRのデータシートによると、アイドル電流は1石当たり50mAと有りましたので、2石で100mAに調整した後、TS930Sから7MHzの入力を加えてみました。
最初に、5MHz、10MHz付近での異常発振です。 コレクタからベースへ,、お決まりのCRによる負帰還をかけて、発振はとまりましたが、7MHzを中心に+/-2MHzくらいで、ノイズフロアが異常に上昇します。 そのレベルは-30dBくらいです。 このTRのデータシートでは、ベースGND間に10Ωの抵抗を挿入し、入力をダンプしていますので、同様に、入力トランスの出力端を10Ωでダンプし、入力にコモンモードチョークを挿入すると、-50dBくらいまで改善しました。 このノイズフロアはTS-930Sでは-60dBくらいありますので、そこまでは減衰させる必要があります。
そこで、ベースにシリーズ抵抗を挿入し、改善具合を調べてみました。
左上が10Ω、右上が5Ωのデータになります。この抵抗を大きくすると、ゲインが下がりますので、その分、このアンプのドライバー段に負荷がかかる事になりますが、明らかに10Ωの方が良好です。 動作は安定しましたが、ゲインが落ちてしまいましたので、コレクタからベースへ戻す負帰還抵抗を100Ωから220Ωに変更しました。 すると、また、ノイズフロアの上昇が発生しますので、10Ωはさらに22Ωへ変更しました。 そして、入力トランスの2次側に挿入した10Ωのダンプ抵抗を外してみたところ、ノイズフロアの増加はなくゲインが2dBくらいアップしました。 10Wの出力時の入力は0.5Wとなり、ドライバーの検討がやりやすくなりました。
上のスペアナデータでは、高調波が多く発生しておりますが、これは、LPFやシールド構造を検討して、対策可能ですので、後で対応する事にします。
上の写真が、とりあえず安定に動作したリニアアンプのファイナル部分です。 これから、出力が1W程度のドライバーアンプを検討します。
上の回路図が、1Wクラスのドライバーを追加したパワーアンプユニットです。 ドライバーの石はRD16HHF1 一石で構成しています。 このFETは12Vの電源で10W以上の実力がありますが、リニアリティを確保するために軽く使っています。 アイドル電流は、データシートより少し少ない400mAに合わせてあります。 AB級で動作していますが、最大出力状態でも0.65Wくらいの出力しかなく、通常はA級増幅です。 この状態で、ファイナルの出力は13W有ります。 少し出すぎですが、そのままです。
ドライバーの出力トランスは、受信部分で使用したTDKのコア2個を、ビニールテープで固定し、1次：2T 2次：3Tで自作しました。
RD16HHF1には、銅板による放熱板を付けてあり、かつ、温度補償用のダイオードをシリコングリスでくっつけてあります。 ただ、1分くらいの13W出力テストで、あっちっちですから、ドライバーの構造を大幅変更し、ファイナルと同じ放熱板を使う事にしました。 二つの放熱板の間に、30mm角のファンが取り付けられています。
バラックの基板状態で、動作テストすると、スプリアスがかなり多く、最悪値で-45dBくらいになっています。 これは、各ブロックをシールドBOXで囲んだり、電源ラインのフィルターなどを検討する必要がありますが、それらは、ケースを確保し、実装設計の時、考える事にします。
13W出力時の全消費電流は4Aくらいです。 MRF477のデータシートには、40%の高効率と書いてありますが、ドライバー段や、30mm角のファンの電流を差し引いたとしても33%くらいの効率です。 多分、40%の効率は、最大PEP出力40Wの時なのでしょう。 電池運用で4Aはきついですから、QRPモードを設定する必要があるかもしれません。
2021年3月
メンテの為、パワーアンプをいじっていましたら、DC電源が壊れて、いきなり57Vが印加されました。 この事故の為、リニアアンプのMRF477がオープン状態で壊れてしまいました。 せっかく、使いこなしたTRでしたが、もう有りません。 そこで、このアンプの最初に実験した、2SK2796Lで、再トライする事にしました。 このFETのVg対Id特性は、最初に示したように、素晴らしいリニアリティを確保しています。 そしてCiss=180PF、Td-off=35ns、Rds=0.12Ωと、HFのアンプにも十分使えるSpecです。 前回諦めた理由は熱暴走でしたので、熱暴走が起こりにくくするため、ソースに0.1Ωの抵抗を追加する事にしました。 すると、12Vの電源でアイドリング電流を各0.15A（合計0.3A)にした後、入力を加えると、18Wの出力が得られ、14W出力までは、リニアリティを確保した範囲に収まります。 かつ、ゲインが6dBくらいアップしました。 ゲインはドライバー段のRD16HHF1のアイドリング電流を減らして合わせこみました。
MICアンプのリミッターが働いたレベルで10WのSSB信号が出るようにし、CWやAMはキャリアレベルを調整して、10Wと3W出力に設定しました。QRPの場合、CWにて4Wになるようゲインを調整してあります。
ソースに追加した0.1Ωの抵抗は200Wアンプに使った3W品の為、FETより大きくなりましたが、なんとか実装できました。FETは11x16mm t=1mmの銅板に半田付けし、温度補償用ダイオードと一緒に、プラスチックビスで放熱板に止めてあります。 銅板と放熱板の絶縁はマイカ板とシリコングリスで処理しました。
下の2信号特性とスペクトルは10Wpep出力時のデータです。ピークがつぶれだすのは14Wを過ぎた出力からで、それ以下の出力で良好なリニアリティを確保しています。また、スプリアスは第3高調波が規定値ぎりぎりですが、一応スペック内です。
入力トランスの2次側センタータップのGND接続はなしとしました。 終段のFETゲートに加わるRF電圧のレベルの差が小さくなります。 この結果、T7は不要になるのですが、改造が面倒なので、そのままです。 また、リニアアンプ側の電源に挿入されていたラインフィルターは、この部分で1.5Vも電圧ダウンを起こしていましたので、廃止しました。 受信回路の電源に挿入されたラインフイルターはSWing電源を使用した時のノイズ除去に効果がありましたので、残しています。
温度の変化でパワーが増減しますので、ドライバーのソースに1Ωの抵抗を追加し、安定度の改善を行っています。 この抵抗追加に伴い、RD16HHF1のソースも放熱板からマイカとシリコングリスで絶縁しました。
変更された配線図は以下です。
この2SK2796Lをプッシュプルで使う時は、特性が揃ったものを使用しないと、この記事のようなデータは得られない事が後日判りました。