高周波リニアアンプへのコレクタ接地（エミッタフォロワ）増幅回路を検討してみます。
リニアアンプとして一般的なエミッタ接地（コレクタフォロワ）回路と比較した時の特徴は
1)入力インピーダンスが高い。
2)入出力信号が同相。
3)周波数特性のfcが少し高くなる。
4)電圧利得は1を超えない。(実用帯域でほぼ1になる)
5)電力利得は小さめ
等となります。
上記 3) は、ＮFBやALCと言った増幅利得を落とす帰還回路を使わない場合の話。
例えばNFB回路を考慮し、電力利得を5～6dB程度まで小さくした場合には高域の実用周波数はエミッタ接地との差はほぼ無くなりますので周波数特性に関してのメリット・デメリットは無くなります。
上記 5) は、どの程度の増幅利得が必要なのかが問題であり、さすがに20dB以上は無理ですが10dB前後で有れば問題なく設計可能。
10dBなら電力10倍なので、入力1Wで出力10Wのリニアアンプを作る事ができ、十分に実用的です。
実際の回路設計目線で見た場合、上記 2) は、部品点数を増やさないとNFBを掛けずらい事がデメリットです。
ここまでは、一般的なお話になります。
次は放熱に関してです。
ハイパワーな高周波用トランジスタは、放熱用フィンがエミッタになっている物がたくさんあります。
高周波用でも半導体初期の物やパワーか小さめの物は放熱用フィンがコレクタの物が圧倒的に多いです。
エミッタ接地回路でエミッタ抵抗を使わず直接接地させる場合、エミッタを直接GNDに落とし、放熱器により放熱出来れば放熱効率が良くなり、熱暴走や熱破壊の危険性も小さくなります。
高周波用トランジスタでなくとも十分にfcが高く、高周波増幅に利用出来そうなトランジスタのほぼ全ては、放熱フィンがコレクタになってます。
これらのトランジスタを使い、エミッタ接地回路を作るときはコレクタである放熱フィンと放熱器は電気的に絶縁させる必要があります。
そのためにマイカシートや特殊な放熱シートを使って電気的に絶縁させつつ放熱させる訳ですがこれがなかなか面倒であり熱抵抗が少し増えるので熱暴走や熱破壊の危険性が高くなる。
熱暴走や熱破壊は致命的なのでトランジスタの放熱フィンは可能であれば直接GNDに落としたい。
そこでPNPバイポーラトランジスタによるコレクタ接地(エミッタフォロワ)回路を検討してみます。
汎用的なPNPトランジスタで高周波用リニアアンプに使えそうな物の放熱フィンはほぼ間違いなくコレクタです。
NPNトランジスタによるコレクタ接地回路の場合コレクタに繋がるのはプラス側の電源になります。
それに対し、PNPトランジスタによるコレクタ接地回路でコレクタに繋がるのはマイナス側の電源、つまりGNDです。
PNPトランジスタによるコレクタ接地回路なら放熱フィンをGNDに落とし、絶縁無しで直接放熱器を取り付けることが可能になるという事です。
組み立てて試す前にLTSpice使ってシミュレーションしてみます。
ftが高く現状入手出来そうな比較的安価なトランジスタを選定してみます。
TO220パッケージのPNPトランジスタで探してみましたが適当なPNPトランジスタを見つけられません。
ネジ止めでは無くなりますがTO251パッケージの2SA2039を候補とします。
シミュレーションするために為にSpiceモデルのデータを探しましたが見つけられません。
たまたま、特性がよく似た下記の2SB1205のSpiceモデルを見つけましたのでこいつを使ってシミュレーションしてみます。
2SB1205のSpiceモデル
.MODEL 2SB1205 PNP ( IS = 300.0f BF = 355.0 NF = 970.0m VAF = 5.20 IKF = 3.60 ISE = 10.0p NE = 2.50 BR = 100.0 NR = 975.0m VAR = 5.00 IKR = 100.0m ISC = 1.00p NC = 2.00 RB = 800.0m IRB = 100.0m RBM = 550.0m RE = 29.0m RC = 5.00m XTB = 0 EG = 1.11 XTI = 3 )
回路はトロイダルコアによるインピーダンスマッチング方式の広帯域AB級のプッシュプル回路です。
出力部にπ型2段のLPF(高調波用トラップ付)を入れて高調波対策しています。
R1を調整しbias電流は60mAに。
熱暴走予防の温度補償をD2で行うので実際に製作する場合はD2をQ1に寄り添わせてシリコンコンパウンド等で熱結合させます。
2SB1205のSpiceモデルのデータは回路図の中に組み込みました。
回路図とシミュレーション結果です。(緑が入力信号，赤が出力信号)
回路には弱めのNFBを掛けてあり50MHzの0.5W入力で23.8Wの出力と良好な結果です。
発振等の異常動作も無さそうです。
シミュレーションした時の出力効率は49%と良好。
但し、2SB1205は最大VCEOが-20Vと小さいので13.8V駆動のリニアアンプに実際は使えません
2SB1205はダメですが2SA2039の方の最大VCEOは-50Vなのでこちらは問題無し。
トランジスタのPcが15W(Tc=25℃時)なのでこれを考慮するとトランジスタ2個使いで10～12W程度が妥当と考えます。
今回はPNPトランジスタによるコレクタ接地による高周波リニアアンプが実用可能かをシミュレーション使って検討してみました。
シミュレーションしてみましたが実は2SA2039等のトランジスタを持っていません。
実際に試せそうなftが高いPNPトランジスタが手に入ったらぜひ試してみようと思います。
※
上記、50MHzリニアアンプ回路のLTSpiceのデータを下記に書きます。
コピペして「2SB1205_CGAMP_PP_13r8V_50MHz_SCH.asc」として保存してからLTSpiceに読み込めば動作できるはずです。
----------- ここから ---------------
Version 4
SHEET 1 4088 1968
WIRE -640 -32 -704 -32
WIRE -240 -32 -640 -32
WIRE -96 -32 -240 -32
WIRE 400 -32 -96 -32
WIRE -640 -16 -640 -32
WIRE -240 0 -240 -32
WIRE -96 0 -96 -32
WIRE -240 96 -240 64
WIRE -240 96 -512 96
WIRE -240 112 -240 96
WIRE -704 160 -704 -32
WIRE -240 208 -240 192
WIRE -96 208 -96 64
WIRE -96 208 -240 208
WIRE -240 224 -240 208
WIRE -96 224 -96 208
WIRE -704 272 -704 240
WIRE -512 272 -512 96
WIRE -448 272 -512 272
WIRE -448 288 -448 272
WIRE -240 320 -240 304
WIRE -96 320 -96 288
WIRE -448 368 -448 352
WIRE 352 368 96 368
WIRE 400 400 400 -32
WIRE 464 400 400 400
WIRE -128 416 -656 416
WIRE 32 416 -128 416
WIRE 464 416 464 400
WIRE 464 496 464 480
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WIRE 96 512 96 464
WIRE -1040 544 -1040 512
WIRE -560 544 -608 544
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WIRE -464 544 -512 544
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WIRE 272 560 32 560
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WIRE -560 576 -560 544
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WIRE 1024 656 976 656
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----------- ここまで ---------------