【部品】MRF255 Power Amp.

【MRF255 RF Power MOS-FET】

　秋月電子通商をウオッチしていると様々な『出物』が登場して楽しませてくれる。高価で手が出なかったものが驚くような価格で突如登場することもあり、自作ファン・電子マニアなら常に目が離せないだろう。

　しかしRF用パワーデバイスの登場は滅多にないように思う。　昨今の移動体通信はどんどん高い周波数へ移行してるので、モバイル端末機器用の小電力RF Deviceなら結構登場していた。　しかし、このようにハイパワーで尚かつHF帯で使うようなパワー・デバイスの登場は過去の記憶にない。HAM向きのパワー・デバイスは秋月が信越電機商会と言っていたウン10年前、店頭にV/UHF用ツイン・ビーム管が並んで以来の出来事なのかも知れない。（笑）

　誰もが使えるような易しいデバイスとは言えないと思う。半導体ハイパワーアンプに相応のスキルをお持ちのお方向きだろう。過去に2SC2290や2SC2879等で100WクラスのRFアンプを作った経験がおありなら注目して良いFETだ。

　MRF255のドレイン耐圧は36Vと低いのでSSBやCWでも電源電圧Vddはせいぜい15Vまでが良い。もちろんそのままドレインにAM変調を掛けるなど無謀なことは考えない方が良い。(Vdd＜9Vなら可だが）最大ドレイン電流は22Aで最大ドレイン損失も175Wあって、かなりハイパワーなRFデバイスだ。

【テスト回路】

　メーカーのデータシートにあった、54MHzのAB級SSB用直線増幅器である。　FETはBJTとは違い、明確な遮断周波数fTはないが、ゲートソース間の入力容量：Cissやドレインソース間の出力容量：Cossの大きさで使い易い（設計を実現し易い）上限周波数が決まってくる。

　このMRF255は144MHz帯には難しいように思うので50MHz帯までと考えれば合理的だろう。　但し、シングルバンドに特化し電極間容量を十分考慮した設計をすれば144MHzの可能性もあるかも知れない。当然ゲインは下がるし、もちろん「広帯域アンプ」の設計では旨くないだろう。

　最大定格が示すように低電圧大電流のデバイスである。電源電圧の低さを大電流でカバーする無理をしたデバイスだからリニヤリティはあまり宜しくないのである。　このテスト回路における3rd-IMDは標準で-30dB（ワーストケースでは-25dB）とあって歪み特性はあまり芳しくない。（今どきなので有利な数字が出るEIA式ではなく、厳しい方のMIL式のIMD評価であろう）　高電圧で使うPower MOS-FETは良好なIMD特性も期待できるが、ここまで低電圧大電流ではバイポーラ・トランジスタとあまり違わぬ性能に甘んじることになる。　但し、7次9次11次・・・と言った高次IMDが優れている可能性もあるので、ここは大いに期待したいと思う。

　100Wクラスで、しかも広帯域アンプではPush-Pull回路が有利だ。ただし偶数次高調波は少なくなるが、IMDはIn-Out間の直線性によるから殆ど改善されないと思った方が良い。NFBは安定動作には寄与するが、歪みに対する劇的な効果など期待しない方が良い。要はデバイス本来のリニヤリティが良くないと何をしてもそれなりにしかならない。

　厳しくなった電波法の新しい無線設備規則「帯域外領域に於けるスプリアス特性*1」を十分満たすだけの性能が得られない「時代遅れ」のデバイスになったのがこの時期に大量放出された理由なのかも・・・？。

*1：帯域外領域におけるスプリアス発射強度の許容値（5Wを越えるもの）：『50mW以下であり、かつ、基本周波数の平均電力より40dB低い値』：第７条関係・無線設備規則別表第三号39による。（アマチュア局の無線設備基準に関わるもの）
・・・・TTT注記：この赤字部分はかなり厳しい数字だと思う。MRF255で実現するのは無理のある数字だ。もはや無線機メーカーが堂々と使う訳には行くまい。（だからバッタもんになったんだろうが・・・）

参考：アマチュア局無線設備のスプリアスに関連する拙Blog内のリンク=>こちら

【MRF255 Push-Pull Power Amp.】

　MRF255のパワーアンプにうってつけの部品が出て来た。　大きなヒートシンクとメガネ型になったRFトランス、そしてプリント基板である。頂き物だったと思うがずっと日の目を見なかった。(VY SRY)

　大きなヒートシンクなので、SSBやCWの間欠オンエアなら自然空冷でも何とかなるだろう。しかし安全を考えれば温度検知型の空冷ファンを付けた方が良いはずだ。

　出力100Wのリニヤアンプを作るには飽和出力が2倍の200W程度になるように設計する。その上で100Wまでの範囲で使うことにする。もちろんメーカー製トランシーバも同様の設計である。　飽和出力が100Wの設計で100Wいっぱい出したのでは、歪み特性（IMD特性）が使用に堪えないほど酷いものになってしまうからだ。

　必要なパワーの2倍くらいの飽和出力で設計し、概半分を超えぬようALCで抑制して実用にしている訳だ。そうしたメーカー機ではドレイン側の負荷インピーダンスは200Wの設計ではあっても、電源容量やヒートシンクの物理的なサイズは当然100W用なのでALCの抑制を外して100W以上を出そうなどと思ってはいけない。（スプラッタが甚だしいばかりか過負荷に対するマージンも不足し壊れやすくなる）

　MRF255は本来ならSSB用のリニヤアンプとして考えるのだろう。もちろんCW用にしても良いので十分な放熱をすればシングルで70〜90W、Push-Pullでは150〜200Wが期待できるだろう。 CWやFMはシングル・キャリヤなのでC級増幅でも良いわけでIMDはぜんぜん問題にならないからこのような使い方も可能だ。むしろ飽和領域あたりまでOver Driveして使うのが常識でさえある。そうすることで終段効率も随分良くなって行く。

　なおFull Powerでは非常に大きな電流が流れる。特に「広帯域アンプ」としてマルチバンド用に設計すると40〜50%のドレイン効率になるので、Vdd=12.0Vでは20A以上になることも多い。200Wならその倍近いだろう。電源スイッチの電流容量には十分注意し、さらに極太のケーブルで配線すると言った当たり前に思える配慮も「低電圧ハイパワー」なアンプ作りのノウハウの一つだ。さもないと入力信号のピークでドレイン電圧が降下してしまいパワーが伸びない『ノンリニヤ・アンプ』になる。（笑）（12V電源のメーカー機の終段回路は電源スイッチさえ通っていない）

　パワーが大きすぎるFETなので中電力には使いにくいが、シングルで使ってQRP-CW機に付加するPo=10〜30W程度のブースタにも良さそうだ。その場合はアイドリングも控え目にすれば物々しいヒートシンクは必要なくて手帳サイズでも大丈夫だ。Low Bandでは1〜2Wのドライブで十分なパワーが出る。　一般に狭帯域設計の方がゲインがあって効率も良いが、周波数特性の平坦化と安定動作を優先しNFBを掛けた広帯域アンプにしてみるのも良い。

　MRF255はSSBで奇麗な波を目指すにはいま一つかも知れないがCW/FM/FSKにはまったく支障ない。HF帯をFullにカバーするFBなブースタが作れる。電子デバイスは使い方しだいで活きてくるものだ。あまりたくさん在庫すると消費に困りそうだがパーツボックスに数個入れておきたい。パッケージは熱伝導に優れた窒化アルミニウムである。酸化ベリリウム（ベリリア）よりやや熱伝導性は劣るようだが、有毒物ではないので安心だ。

＃ この種のデバイスとしては異例のお値段なのでハラハラせず実験できるのは有難い。ドレイン耐圧が2倍くらいあったらもっと良かったのだが・・・。

【参考：MR255の使用例】(2010.10.10追記）

　左図は、ICOMのIC-706 MK-1トランシーバの終段部分である。ドライバ段もFETになっているが、これはVHF帯までカバーする都合であろう。HF帯用ならBJTでも良い。

　ドライバ段がPush-Pullではなくて済むのはドライバのMRF5015と終段のMRF255がハイゲインだからであろう。MRF255のBIAS電圧はダイオードで簡単に温度補償している。（注：このダイードは単なる回路保護用かもしれない。MRF255が破壊した時に意味を持つ）また、軽いNFBを掛けて周波数特性の平坦化をはかっている。　IC706は車載用なので電源電圧は13.8Vで設計しているはず。　見る機会が有ればドライバ・トランスや出力トランスの大きさなどを参照すると良い。

　理由は不明だが、IC706 MK-2ではファイナルが変更され2SC2694のPush-Pullになっている。さらにMK-2Gでは再びPower-MOSに戻っているがSRFJ7044と言う別のPower-MOS FETに変更されたほか、さらにもう一段のドライバ・アンプが追加されている。MK-1の回路ではHF帯各バンドで均等なパワーが得られなかったのかも知れない。設計時に想定したより、デバイス（MRF255）のバラツキが大きかったのではないだろうか。それさえ解決すればBJTよりPower-MOS FETの方が優れるので再び戻ったのだろう？（いえいえ、あくまでも想像でのお話し。真相はわりませんけど・・・）

　IC706が登場した時代のスプリアス基準は上記とは異なっていた。旧基準で作られたリグも2023年まで継続して使用できることになっていたと思う。（ずいぶん先のことだが、その先も使うには自作品の扱いで保証認定による方法だろうか？）

（おわり）

追記：MRF255は2012年11月ころ売り切れになったようだ。思えば2年半もの長きに渡って継続販売されたのだから、相当量の数があったのだろう。それも全てさばけたのである。　予想ではすぐになくなるのではないかと思っていたので意外と言う気もする。しかし冷静に考えると微妙に高価でしかも用途は限定的だから手を出さなかった自作HAMも多かったに違いない。自身も購入しながら未だに本格的活用に達していない。せっかくリキを入れて作っても性能がいま一つなのでは製作意欲も減退気味と言うものだ。それでも多くの自作HAMにとって縁遠かったRF用Power-MOSの扱い方の周知には役立っただろうと思う。秋月電子通商のお陰だ。　もう無くなってしまったものは仕方がない。買いそびれた人は無理に入手しようとせず、ずっと性能の良い別のFETを活用した方が良い。(2013.01.06)