КЛЮЧЕВОЙ КАСКАД Российский патент 1994 года по МПК H03K17/16 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в любом радиотехническом устройстве, ключевые каскады которого на биполярных или полевых транзисторах включены по схеме с общим эмиттером или общим истоком.

В настоящее время в ключевых каскадах, выполненных на транзисторах, которые работают с невысокими питающими напряжениями, с целью получения большой выходной мощности нагрузка подключается к выходу каскада через трансформатор сопротивлений. Недостатком такого подключения нагрузки к ключевому каскаду является то, что эквивалентное сопротивление нагрузки, приложенное к выходу каскада, имеет индуктивный характер. В ряде практических случаев нагрузки и ключевой каскад выполняются в виде независимых блоков, соединенных между собой либо коаксиальным кабелем, либо электрическим проводом, либо проводником печатной платы и т. п.

Входные сопротивления названных линий связи ключевого каскада и нагрузки также имеют индуктивный характер. Таким образом индуктивный характер сопротивления нагрузки, приложенного к выходу ключевого каскада, присущ широкому классу радиотехнических устройств, использующих транзисторы как управляемые ключи.

Индуктивность цепи нагрузки и выходная емкость управляемого ключа, выполненного на транзисторе, образуют паразитный колебательный контур. При воздействии импульса тока на выходной паразитный контур в нем возникает колебательный процесс, который приводит к появлению на выходе управляемого ключа паразитного переменного напряжения. Паразитное переменное напряжение приводит к снижению или к потере устойчивости ключевого каскада.

Пояснить появление неустойчивого режима работы ключевого каскада можно на примере рассмотрения оконечного каскада ВЧ-усилителя мощности, приведенного на фиг. 1а. При воздействии положительного импульса входного сигнала транзистор V1 открыт. Ток дросселя Др протекает через открытый транзистор V1. При поступлении на вход каскада отрицательного импульса транзистор V1 закрывается и ток дросселя Др перераспределяется в цепь нагрузки. При воздействии импульса тока на паразитный колебательный контур на нем появляется паразитное высокочастотное напряжение, которое приложено к выходу транзистора. Временная зависимость напряжения U_кэ (коллектор-эмиттер) транзистора V1 приведена на фиг. 1в. Возможность появления неустойчивого режима работы ключевого каскада объясняется тем, что паразитное высокочастотное напряжение воздействует на базовую цепь транзистора, через внутреннюю обратную связь транзистора (С_к - емкость коллекторного перехода), управляя работой транзистора. Временная зависимость напряжения U_бэ (база-эмиттер) представлена на фиг. 1д.

Паразитное напряжение является мешающим воздействием.

Известен способ, устраняющий это мешающее воздействие, заключающийся в ограничении напряжения паразитных колебаний путем подключения к выходу переключающего элемента амплитудного ограничителя.

Известный способ является эффективным средством, уменьшающим мешающее воздействие, так как позволяет не только ограничить выбросы паразитного напряжения, но и увеличить затухание паразитного колебательного процесса, что в конечном счете позволяет уменьшить паразитные колебания до допустимого уровня.

Недостатком известного способа является то, что в ключевых каскадах форма выходного полезного сигнала может отличаться от прямоугольной (фиг. 1г). Применение известного способа в этом случае малоэффективно, так как при выборе порога ограничения большой величины амплитудный ограничитель лишь незначительно ограничивает паразитные колебания напряжения, а при уменьшении порога ограничения амплитудный ограничитель ограничивает и полезный сигнал. Таким образом, в первом случае мешающее воздействие не уменьшается, что приводит к указанным выше недостаткам, во втором случае при ограничении вместе с мешающим воздействием полезного сигнала теряется полезная информация, а также снижается энергетическая эффективность ключевого каскада: снижается выходная мощность полезного сигнала и КПД.

Недостатком известного способа является также то, что даже при ограничении выходного напряжения ключевого каскада на требуемом уровне суммарного колебания - паразитного и полезного (фиг. 1в) амплитудный ограничитель демпфирует паразитное колебание с дополнительными потерями мощности. При превышении амплитуды паразитных колебаний порога ограничения амплитудный ограничитель является дополнительной нагрузкой для паразитного напряжения. Энергия колебаний выделяется в амплитудном ограничителе, что увеличивает потери мощности и снижает КПД ключевого каскада. Известно, что при емкостной обратной связи (например, при использовании в каскадах транзисторов, электронных ламп и т. п. ) паразитные автоколебания возникают в каскадах, эквивалентная схема которых является "индуктивной трехточкой" (фиг. 1б). Суть известного способа повышения устойчивости заключается в нарушении условий возникновения в каскадах паразитных автоколебаний, т. е. в нарушении эквивалентной схемы паразитного автогенератора.

Недостатком известного способа является то, что даже при нарушенной эквивалентной схеме паразитного автогенератора в ключевом каскаде возможно появление паразитного автоколебательного процесса. Рассмотрим это на примере ключевого каскада, изображенного на фиг. 1ж. Эквивалентная схема каскада приведена на фиг. 1з. В этой схеме отсутствует элемент Lб. Таким образом, согласно известному способу в этом каскаде не должно возникать паразитных автоколебаний. Однако практика показывает, что и в этом случае возможна неустойчивая работа каскада. Рассмотрим механизм появления паразитных автоколебаний в ключевом каскаде (фиг. 1ж).

При поступлении импульса тока с выхода транзистора в нагрузку в паразитном колебательном контуре, который образован индуктивностью провода L_н нагрузки Н и паразитными емкостями транзистора С_к и С_э, возникает колебательный процесс, сопровождающийся появлением в коллекторном напряжении U_кэ паразитных колебаний (фиг. 1в, г), причем транзистор на этом этапе закрыт. Через обратную связь, образованную емкостью коллекторного перехода С_к транзистора V1, паразитное напряжение поступает в цепь базы (фиг. 1д, е) ключевого каскада. При достижении паразитным напряжением уровня 0,7 В транзистор V1 открывается. Таким образом, паразитные колебания управляют работой транзистора V1. В ключевом каскаде появляются паразитные автоколебания и каскад теряет устойчивость.

Кроме того, недостатком известного способа является то, что он в принципе не устраняет паразитные колебания, действующие на выходе переключающего элемента, которые, суммируясь с выходным полезным сигналом (фиг. 1в, г), приводят к потере устойчивости каскада.

Таким образом, для повышения устойчивости ключевого каскада необходимо устранить паразитные колебания, действующие на выходе переключающего элемента каскада, либо уменьшить их уровень до допустимой величины.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является ключевой каскад, содержащий последовательно соединенные входной трансформатор, два транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером и работающие в противофазе, блокировочные конденсаторы, выходной трансформатор и нагрузку, причем коллектор каждого транзистора подключен к источнику питания через соответствующий дроссель.

Известный ключевой каскад является двухтактной схемой, состоящей из двух плеч. Каждое из плеч может работать отдельно. Поэтому для простоты анализа рассмотрим работу одного плеча ключевого каскада. Причем блокировочный конденсатор С_бл. исключается из рассмотрения, так как устраняет постоянную составляющую тока в нагрузке и принципиально важного значения в ключевом каскаде не имеет.

Известный ключевой каскад работает следующим образом. Входной сигнал, поступающий на входной трансформатор, управляет работой транзистора, который может находиться в одном из двух состояний: открытом или закрытом. На интервале времени, когда транзистор открыт, ток дросселя L_бл. протекает через транзистор. На интервале времени, когда транзистор закрыт, ток дросселя L_бл. протекает через обмотку трансформатора Т в нагрузку R_н. Недостатком известного устройства является то, что в схеме индуктивность обмотки трансформатора Т и выходная емкость транзистора V1 образуют паразитный колебательный контур. При воздействии импульса тока на паразитный контур на нем возникают паразитные колебания. Паразитные колебания, приложенные к коллектору и эмиттеру транзистора V1, попадая в цепь базы транзистора через емкость коллекторного перехода С_к, управляют его работой. Это порождает неустойчивый режим работы каскада в целом. Таким образом, для повышения устойчивости ключевого каскада необходимо уменьшить амплитуду паразитных колебаний либо устранить эти колебания.

Цель изобретения - повышение устойчивости ключевого каскада путем уменьшения амплитуды паразитных колебаний.

Для этой цели в ключевой каскад (см. фиг. 2 и 3), содержащий последовательно соединенные источник прямоугольных импульсов, управляемый ключ, катушку индуктивности и нагрузку, причем управляемый ключ содержит биполярный транзистор, входной и проходной конденсаторы, эмиттер транзистора соединен с общей шиной каскада, а база и коллектор транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а выход управляемого ключа через дроссель соединен с шиной питания каскада, введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений
R = R= , t_сп = N x T, где t_сп. - время спада импульса коллекторного тока;
U_в. - амплитуда входных импульсов;
Е '- напряжение отсечки биполярного транзистора;
U_п. - напряжение питания;
С_п. - емкость проходного конденсатора;
N = 1, 2, 3, 4, . . . ;
T = T= период паразит- ных колебаний;
L - индуктивность катушки К;
R_н - сопротивление нагрузки.

Кроме того, в ключевом каскаде управляемый ключ содержит полевой транзистор, входной и проходной конденсаторы, исток полевого транзистора соединен с общей шиной каскада, а затвор и сток транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений:
R= R= _ ,
t_сп = N ˙T, где U₁ - пороговое напряжение затвор - исток полевого транзистора;
U₂ - граничное напряжение затвор - исток, при котором полевой транзистор полностью открыт;
t_сп - время спада импульса стока полевого транзистора;
Q₁, Q₂ - соответственно заряд затвора полевого транзистора при напряжениях U₁, U₂;
N = 1, 2, 3, 4, . . . ,
T = T= - период паразит- ных колебаний;
L - индуктивность катушки К;
R_н - сопротивление нагрузки.

Для большей определенности и облегчения изложения сути изобретения параллельно коллекторному и эмиттерному переходам транзисторов введены соответственно проходной и входной конденсаторы, а транзистор с обоими конденсаторами объединены в одно устройство - управляемый ключ. Аналогичные заключения относятся к управляемому ключу, выполненному на полевом транзисторе.

Ключевой каскад содержит источник прямоугольных импульсов 1, регулируемый резистор 2, проходной конденсатор 3, входной конденсатор 4, транзистор 5, управляемый ключ 6, дроссель 7, катушку индуктивности 8, нагрузку 9.

Сопротивление регулируемого резистора выбирают таким образом, чтобы длительность спада t_сп импульса тока коллектора (строка) транзистора равнялась N периодам свободных колебаний паразитного колебательного контура. Выполнив эти требования, паразитные колебания компенсируются и, следовательно, не проникают в управляющую цепь транзистора. Этим обеспечивается повышение устойчивости ключевого каскада, т. е. достигается положительный эффект. Общественно-полезным в предлагаемом устройстве является то, что при уменьшении амплитуды паразитных колебаний уменьшаются выбросы на вершине полезного выходного сигнала транзистора и исключается возможное превышение предельно допустимых значений выходного напряжения транзистора. Это в конечном счете защищает транзистор от пробоя и, следовательно, повышает надежность работы ключевого каскада.

Кроме того, при компенсации паразитных колебаний очищается спектр выходного сигнала. Необходимо отметить, что вместо катушки индуктивности на практике может использоваться коаксиальный кабель, любой электрический провод, токоведущий проводник печатной платы и т. п. (56) Патент Великобритании N 2177273, кл. H 03 F 1/00, 1987.

Транспортные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме под ред. И. А. Попова. М. : Радио и связь, 1985, с. 36.

Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических устройствах, ключевые каскады которых включены по схеме с общим эмиттером или общим истоком. Сущность изобретения: устройство содержит: один источник прямоугольных импульсов 1, один управляемый ключ 6, одну катушку индуктивности 8, один дроссель 7, одну нагрузку 9. 1 з. п. ф - лы, 4 ил.

1. КЛЮЧЕВОЙ КАСКАД, содержащий последовательно соединенные источник прямоугольных импульсов, управляемый ключ, катушку индуктивности и нагрузку, причем управляемый ключ содержит биполярный транзистор, входной и проходной конденсаторы, эмиттер транзистора соединен с общей шиной каскада, а база и коллектор транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а выход управляемого ключа через дроссель соединен с шиной питания каскада, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости путем уменьшения паразитных колебаний, между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений
R= ;
t_сп = N · T,
где t_сп - время спада импульса коллекторного тока;
U_в - амплитуда входных импульсов;
E^′ - напряжение отсечки биполярного транзистора;
U_п - напряжение питания;
C_п - емкость проходного конденсатора;
N = 1,2,3,4, . . . ;
T= - период паразитных колебаний;
где L - индуктивность катушки;
R_н - сопротивление нагрузки. 2. Каскад по п. 1, отличающийся тем, что управляемый ключ содержит полевой транзистор, входной и проходной конденсаторы, исток полевого транзистора соединен с общей шиной каскада, а затвор и сток транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений
R= _ ;
t_сп = N · T,
где U₁ - пороговое напряжение затвор - исток полевого транзистора;
U₂ - граничное напряжение затвор-исток, при котором полевой транзистор полностью открыт;
t_сп - время спада импульса тока стока полевого транзистора;
Q₁, Q₂ - соответственно заряд затвора полевого транзистора при напряжениях U₁, U₂;
N = 1,2,3,4, . . . ;
T= ,
где L - индуктивность катушки;
R_н - сопротивление нагрузки.