基于M57719的射频功放保护控制电路设计与故障分析

第１０卷第ｌ２期　褥黪霪滞磨痢　Ｖｏ１．１Ｏ　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２ｏ０８　２ｏ０８年１２月　基于Ｍ５７７１９的射频功放保护控制　电路设计与故障分析　白玲　，刘笃仁　，刘才强　ｆ１．西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安７１００７１；　２．西安微电子技术研究所．陕西西安７１００７５）　摘　要：重点阐述了电台发射模块中射频功放模块以及ＡＰＣ电路的工作原理，同时对电台射　频功放常见的故障现象进行了分析．提出了减少和避免射频功率放大器故障的方法和措施，　并对电台的使用和维护提出了有价值的建议。　关键字：数传电台；发射模块；功放控制；ＡＰＣ；故障分析　０　引言　远距离通信电台的射频功率输出要求一般都　该电台为半双工调频电台，发射机工作频率　为１５６．０２５～１６２．０２５　ＭＨｚ，频道间隔为１２．５　ｋＨｚ或　２５　ｋＨｚ．最大发射功率为ｌ２．５　ｗ，最小发射功率　为２　Ｗ．频率稳定度要求达到２．５　ｐｐｍ，发射机供　电电压为直流＋１４　Ｖ，工作电流为２．５～４　Ａ，该发　比较大。因此，射频功放均工作在大电流、高功　率状态。为了使功放电路能安全可靠地工作，一　般都在功放电路设置有比较完善的功放保护自动　射机的整体结构框图如图１所示。　控制电路．并通过处理器来控制电路，以使发射　机间断发射大功率信号，从而保证发射机的射频　功放级在保证安全的前提下输出较大的射频功　率。射频功率放大器既是电台的核心部件，也是　电台的薄弱环节。作者在设计调试过程中发现，　发射机故障中射频模块故障占了较大的比重．而　射频模块又占设备总费用的较大部分，所以。研　究电台射频功率放大器的损坏原因以及如何在使　用中更好地保护该部件，具有重要的意义。　本文主要对功率放大电路、功率检测控制电　路和直流电压控制电路三部分进行原理和功能方　面的描述，并给出了具体的电路设计原理图。其　中功率放大电路包括功率驱动放大电路和功放集　成模块。上述三部分之间的关系如图２所示。　Ｈ嚣揭　藩Ｈ歪巫互卜匝　圈ｌ　Ｈ塞　害磊ｌ　图１　发射机功能结构框图　１　电台发射机的功能结构　本设计开发的电台主要用于机车自动识别系　由图２可见，整个功放电路主要由功放集成　统，电台配合全球定位系统（ＧＰＳ１将机车位置、　速度、方向、线路等机车运行信息向周围２０公里　内的铁路线路和车站进行广播．使邻近机车和车　站能及时掌握机车的运行情况，以互通信息并进　行协调，以便采取相应的措施来防止机车追尾、　机车站内相撞等事故的发生　收稿日期：２００７—１２—１０　图２发射机的功放电路关系框图　ＷＷＷ．ｅｃｄａ．ｃｎ　２００８．１２电予元器件主用　３　第１Ｏ卷第１２期　电予元器件壶用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖ０１．１Ｏ　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２００８　２００８年ｌ２月　模块ｆＰｏｗｅｒ　Ｍｏｄｕｌｅ）、功率检测电路（Ｐｏｗ　ＤＥＴ）　通过ＡＰＣ电路进行电压控制供电，此电压控制供　电电路可同时控制射频功放驱动电路的电压。　２．２功率检测电路　和ＡＰＣ电路组成。其中，功放驱动电路（ＤＲＩＶ—　ＥＲ）、接收发射开关控制器（ＡＮＴ　ｓｗｉｔｃｈ）以及天　线低通滤波器ｆＬＰＦ１为功放电路前级和后级不可　缺少的部分，其直流供电（Ｖ８１１）与整个功放直　流供电由处理器统一管理，上述模块共同构成了　完整的射频功放电路。　图４是功率检测电路。该功率检测电路由Ｄｌ、　Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４以及电容、电阻组成，其中Ｄｌ、　Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４为ＴＯＳＨＩＢＡ公司生产的可快速导通　超高速导通二极管，它的最大反向电压可达８５Ｖ。　２射频功放模块　２．１射频功放集成模块　Ａｎｔｅｎｎａ１取至天线低通滤波器滤波之前经电容　Ｃ２７５耦合的信号．Ａｎｔｅｎｎａ２取至滤波之后的信　号，信号主要通过Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４组成的检测　电路以电流形式输出，经Ｒ２０５～Ｒ２０７、Ｃ２８０～　射频功率放大器可采用射频集成模块方式，　其电路结构特点是体积小、调试方便、可靠性　高，但价格也比较高。近几年新推出的高价位机　型一般都采用这种电路结构。　射频集成功放模块可采用三菱功放，根据电　台工作频率（１５６．０２５～１６２．０２５　ＭＨｚ１的要求，本　设计选用Ｍ５７７１９。Ｍ５７７１９功放模块的频率范围　Ｃ２８２组成的分压滤波网络将电流信号转换为直流　电压信号ＡＭＰ，该ＡＭＰ信号的电压幅度与发射功　率的大小成比例。　为１４５～１７５　ＭＨｚ．其内部原理图如图３所示。该模　块的最大输出功率可达ｌ４　Ｗ，输入、输出阻抗均　为５０ｎ。射频信号由１脚输入，４脚输出，２，３脚　为直流供电端，５脚为接地端。　２－３　ＡＰＣ电路　图４功率检测电路　０　７　７＿　ＡＰＣ自动功率控制电路主要用于防止天线终　端负载波动而产生的功率模组的电流过载．并使　发射输出电压和温度变化保持稳定。其中热保护　可在功率模块的温度高于参考值时切断通信机的　发射电源；而过压保护则可检测电源是否超过额　图３　Ｍ５７７１９的内部原理图　表１所列是Ｍ５７７１９模块的主要电气参数。　Ｍ５７７１９功放芯片由两路１４Ｖ直流供电．一路　（２脚）通过１４　Ｖ直流电直接供电，另一路（３脚）　定电压，若超过则停止发射机工作。由于本发射　表１　Ｍ５７７１９的主要电气参数　Ｌｉｍｉｔｓ　Ｓｙｍｂｏｌ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒ　Ｔｅｓｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　Ｍｉｎ　Ｍａｘ　Ｕｎｉｔ　ｆ　Ｐｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　Ｏｕｔｏｕｔ　ｐｏｗｅｒ　１４５　１４　ｌ７５　ＭＨｚ　Ｗ　Ｐｉｎ＝０．２Ｗ　１１Ｔ　２ｆ０　３ｆｉｌ　ｐＪｎ　Ｔｏｔａｌ　ｅｆｉｅｉｆｅｎｅｙ　Ｖｃｅ＝１２．５Ｖ　２ｎｄ．ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｚｃ＝Ｚｌ＝５Ｏｎ　３ｒｄ．ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｉｎｐｕｔ　ＶＳＷＲ　Ｖｃｃ＝ｌ５．２Ｖ　４０　－２５　一３５　４　％　ｄＢｃ　ｄＢｃ　Ｌｏａｄ　ＶＳＷＲ　ｔｏｌｅｒ—　Ｐｏ＝１４Ｗ（Ｐｉｎ：ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ）　ａｎｃｅ　Ｌ０ａｄ　ＶＳＷＲ＝２０：１（Ａｌｌ　ｐｈａｓｅ１．２ｓｅｃ．　Ｎｏ　ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ　Ｏ１＂ｄｅｓｔｒｏｙ　＆＝５０１２　４　电子元器件主硐　２００８．１２　ＷＷＷ．ｅｃｄｃ￣ｃｌｚ　第１０卷２００８年１第１２期　２月　崭姆霪缔唐　ＶｏＤｅｃ．２ｏ０８　１．１０　Ｎｏ．１２　机采用间断发射。故其温度比较容易保持在安全　Ｔｒ＝２５℃　ｐｉ　ａ＝０　２Ｗ　／　范围内；而发射机的１４　Ｖ直流电源由专门的电源　一＿产１６０　ＭＨｚ　／　。ｗ　电路来提供，所以也能保证供电电压正常。　由图５所示的ＡＰＣ电路可知．ＡＰＣ电路由负反　／　／／　Ｏ／　０５Ｗ　馈运算放大器Ｕ５Ｂ、放大器Ｖ３６和ＡＰＣ控制放大　／　／叫ｗ　器Ｖ３３组成。运算放大器同相、反相输入端的输　／　／　入信号分别为ＡＭＰ１、ＡＭＰ。ＡＭＰ１为基准电压，　／，／　／　Ｏ　０２Ｗ　／　。ＶＲ３０２为电位器，可调节ＡＭＰ１信号幅度的大小。　／　一　＿　一　—　ＡＭＰ信号先由带有负反馈的运算放大器进行比较　８　１０　１　２　１４　１６　１　８　ＤＣ　ＳＵＰＰＬＹ　ＶＯＬＴＡＧＥ　Ｖ　（Ｖ）　放大，然后经Ｒ２０８、Ｒ２０４两电阻分压后得到Ｖｏｕｔ　图６　Ｍ５７７１９直流电压与输出功率的对应关系　信号．该信号再经Ｖ３６放大后送至ＡＰＣ控制放大　＝２５　Ｃ　ｐ器Ｖ３３，之后再将Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端电压输出到末　０　片１６０ＭＨｚ　／　级功放电路Ｍ５７７１９的３脚．从而为Ｍ５７７１９提供发　ｃ　１２　５／　射时所需的直流电压。若Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端电压较　／　｜　高，则功放输出功率就较大，否则输出功率就　小。由电路原理图可知，若功放模块发射功率变　　大，ＡＭＰ信号电压幅度就变大．经运放比较后，一　宙亭０　－Ｉ．ｎｄＬｎ０　０　／　一如　加　ｍ　Ｏ　　Ｖｏｕｔ电压幅度会变小，经Ｖ３６放大到Ｖ３３的ＳＵＰ．　｛　ＰＬＹ端电压也就较功率未改变时更小．此时．　Ｍ５７７１９的输出功率也变小：反之．若发射功率　变小，ＡＭＰ电压幅度就变小，于是Ｖｏｕｔ电压幅度　ＩＮＰＵＴ　ＰＯＷＥＲ　ＰｉｎｆＷ）　变大，Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端电压跟着变大，此时，　图７　Ｍ５７７１９的输入输出功率对应关系　Ｍ５７７１９输出功率变大，从而实现了功率的自动　输入信号幅度为１７　ｄｂｍ．直流供电电压为１３．８　Ｖ　控制。功放模块的发射功率与直流供电电压之间　时，其输出的最大功率可达到１２．５　Ｗ的要求。　的关系曲线如图６所示，由图可知．供电电压越　高，输出的发射功率越大。　２．４直流供电电压控制电路　此外，Ｍ５７７１９的发射功率还受输入信号功　该电台不能长时间发射，否则会因为功耗过　率的影响，其具体关系曲线如图７所示　Ｍ５７７１９　大损坏预放电路和功放模块。所以，本发射机在　要求前级驱动增益相对于本振信号增益要达到　处理器控制下间断发射，发射完成后，再由处理　２０ｄｂ时，才能满足输出功率的要求，作者在实验　器控制供电电路断电以保护功放，具体控制电路　过程中的驱动电路信号幅度可达１７ｄｂｍ，符合功　如图８所示。图中，ＣＲＬ１、ＴＲＡＮ１是处理器控制　放模块对输入信号功率的要求。由图７可见．当　信号（由不同处理器控制），当ＣＲＬ１为低电平（０　图５　ＡＰＣ电路　ＷＷＷ．ｅｃｄａ．ｃｒｔ　２００８．１２电子元嚣件主用　５　第ｌＯ卷第１２期　电手元器件主用　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ＆Ｄｅｖｉｃｅ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｖｏ１．１０　Ｎｏ．１２　Ｄｅｃ．２ｏｏ８　２００８年ｌ２月　图８直流供电电压控制电路　信号），同时ＴＲＡＮ１为高电平（１信号）时，Ｖ３、　Ｖ５同时导通，从而使Ｖ４导通。进而使ＢＡＲＸ电源　控制管导通，以便Ｖ８Ｔ输出约７．８　Ｖ直流电压给功　放驱动电路和ＡＰＣ电路供电。若Ｖ３、Ｖ５不能同时　满足导通条件，则发射通路不工作．功放模块处　于断电状态，从而起到减小功耗的作用。　Ｍ５７７１９可将射频信号放大到ｌ２．５　Ｗ后从４脚　输出，然后经过耦合电容和开关二极管传送到天　线低通滤波器发送出去。　系统中的低通滤波器ｆＬＰＦ）为接收和发射共　用部分，其转折点频率为２００　ＭＨｚ。二极管的作　用是在发射时加上电压来对高频信号短路．这样　可使发射的大功率信号通过，最后进入低通滤波　器发射出去。接收时，则由于没有直流电压，二　极管不导通而类似开路，这样可使接收信号无衰　减地进入接收高通滤波器　３　电台射频模块常见故障　３．１　电源电流小且无输出功率　根据图１所示的接收机框图可知。发射电路　主要由信号放大及调制电路、功率放大驱动电　路、自动功率控制电路及功率放大器电路组成。　当用功率计检查发射机无功率输出时，由于无发　射功率但电源电流表指示有一定电流．因此，基　本上可以肯定是驱动、自动功率控制、功率放大　器三部分电路没有工作。按照发射电路的检修原　则，应由前向后检查，也就是说．首先要检查激　励信号是否正常。根据经验，在实际实验中，首　先要检查这三级电路的电源是否正常．然后按照　由前向后的原则检查信号电路，往往能收到事半　功倍的效果。对于驱动电路和自动功率控制电路　来说，正常工作的电源主要有Ｖ８Ｔ发射控制电压，　Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端控制电压。对于功率放大器，主　要有Ｍ５７７１９芯片的２脚上的１４　Ｖ２１２作电压和３脚的　６　电子元嚣件焘硐　２００８．１２　ＷＷＷ．ｅｃｄａ．ｃｎ　ＳＵＰＰＬＹ受控电压。发射时，分别检查以上电压，　就会发现驱动电路和自动功率控制电路均无工作　电压，说明故障是由于无工作电压引起的。图８　是Ｖ８Ｔ电压的供给及相关控制电路，由图８可以看　出．驱动电路和自动功率控制电路的Ｖ８ＴＩ作电　压受来自不同微处理器信号的控制，控制信号不　能同步是无发射的主要原因。因此，修改处理器　软件程序．使ＣＲＬ１、ＴＲＡＮ１两个信号同时满足　要求且严格同步．即可解除此故障。　３．２通信距离太近　通信距离太近的原因基本上可以判定为发射　功率太小，用功率计检查，就会发现发射机输出　功率较小且电源电流表指示也较小，此现象说明　直流供电没有问题。基本上可以确定故障在自动　功率控制电路（ＡＰＣ），而末级功放模块由于采用　了功率模块，当有１Ｗ以上功率输出时，基本上　可保证末级功放是正常的。事实上，天线回路不　理想或天线开、短路，Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端控制集成　功放模块Ｍ５７７１９的输出较小。均可使通信距离　近，此时，在末级功放模块正常的情况下，故障　主要存在于自动功率控制电路。用万用表测量　Ｖ３６基极对地电压，会发现有１．６　Ｖ左右电压．这　说明Ｖ３６没导通：换到电阻档测得Ｖ３６的发射结　正反向阻值相差只有１　ｋＱ左右，这时，更换Ｖ３６　则可使故障排除。若Ｖ３６２１２作正常，那么。则为　Ｖ３３的ＳＵＰＰＬＹ端无电压输出或者电压很小，这　时，更换Ｖ３３可使输出功率正常。　另外，驱动电路长时间发射使温度过高也会　导致驱动放大能力下降，此时可停止发射并等待　温度稳定后再发射，以保证使发射功率正常。故　应采用间断发射方式．且每次发射时间不宜过　长　４结束语　本射频功放电路经过实际应用证明，其电路　设计新颖，简单实用，对射频功放在大电流高功　率状态出现天线回路不理想或天线开、短路时．　该自动功率控制电路能输出稳定的功率，并能够　自动保护射频功率模块，从而增加了电台工作的　可靠性和使用寿命。