УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА Российский патент 1998 года по МПК H03F1/30 H03F3/04 

Предлагаемое устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в транзисторных усилителях мощности, в частности транзисторных усилителях мощности телевизионных радиопередатчиков.

Как известно, для повышения энергетической эффективности радиопередатчиков транзисторы в мощных усилительных каскадах работают в режимах с отсечкой коллекторного тока. При этом для обеспечения высокой линейности усиления сигналов с изменяющейся амплитудой необходимо установить оптимальный режим работы транзистора, по существу оптимальное напряжение смещения (Завражнов Ю.В., Федотов М.Г. Температурная стабилизация линейного режима работы транзисторного усилителя./Радиотехника, 1974, т.29, N 5, с.96-100).

Изменение температуры кристалла усилительного транзистора, вызванное изменением рассеиваемой мощности или температуры окружающей среды, приводит к изменению напряжения отсечки транзистора (примерно 2 мВ/град). Для получения малых нелинейных искажений изменение напряжения отсечки усилительного транзистора должно сопровождаться соответствующим (таким же точно) изменением и напряжения смещения, грубо говоря, угол отсечки коллекторного тока транзистора должен оставаться постоянным независимо от температуры кристалла усилительного транзистора.

Известно устройство стабилизации режима транзистора, содержащее последовательно включенные между источником напряжения питания и общей шиной резистор и прямосмещенный полупроводниковый диод, корпус которого имеет тепловой контакт с корпусом усилительного транзистора (И.П.Степаненко. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. М.: Энергия, 1973, 608 с., с.410). При этом выходное напряжение, т.е. напряжение смещения на базу усилительного транзистора, подается с диода.

Однако указанное устройство не позволяет в широких пределах изменять напряжение смещения, а следовательно, установить оптимальный режим работы усилительного транзистора.

Кроме того, известно устройство стабилизации режима транзистора (Завражнов Ю.В. и др. Мощные высокочастотные транзисторы. /Под ред. Е.З. Мазеля. М.: Радио и связь, 1985, 176 с., с.168), являющееся прототипом изобретения. Это устройство содержит первый транзистор, второй транзистор - датчик температуры, коллектор которого соединен с базой первого транзистора, первый и второй резисторы, включенные между шиной питания и коллекторами соответственно первого и второго транзисторов, третий резистор и четвертый переменный резистор, включенные между эмиттером второго транзистора и соответственно шиной питания и общей шиной, пятый резистор, включенный между базой второго транзистора и общей шиной, первый и второй конденсаторы, подключенные соответственно к базам первого и второго транзисторов, выходом устройства является эмиттер первого транзистора.

Однако указанное устройство обеспечивает постоянство режима работы транзистора (постоянство угла отсечки коллекторного тока) лишь в установившемся тепловом режиме, когда температура кристалла усилительного транзистора равна температуре кристалла транзистора - датчика температуры устройства стабилизации либо отличается от него на постоянную величину.

При усилении модулированных по амплитуде колебаний изменение амплитуды усиливаемого сигнала приводит к изменению рассеиваемой мощности на кристалле усилительного транзистора и соответственно к изменению температуры кристалла, следовательно, и напряжения отсечки транзистора. Таким образом, при усилении амплитудно-модулированных колебаний в транзисторах, работающих в режимах с отсечкой коллекторного тока, происходят модуляция и напряжение отсечки, причем из-за тепловой инерционности процессов в транзисторе модуляция напряжение отсечки транзистора происходит с некоторым запаздыванием. Однако для частот модуляции от нескольких Герц и выше изменение температуры кристалла транзистора с частотой модуляции не приводит к соответствующему изменению температуры корпуса транзистора из-за тепловой инерционности. Она определяется средней рассеиваемой мощностью.

В указанном устройстве стабилизации режима транзистора мощных усилителей выходное напряжение (напряжение смещения) устанавливается в соответствии с температурой корпуса усилительного транзистора, поскольку транзистор - датчик температуры устройства стабилизации может иметь тепловой контакт в лучшем случае лишь с корпусом усилительного транзистора. Следовательно, указанное устройство стабилизации не обеспечивает постоянство угла отсечки коллекторного тока усилительного транзистора при изменении амплитуды усиливаемого сигнала, что приводит к специфическим нелинейным инерционным искажениям усиливаемого амплитудно- или импульсно-модулированного сигнала (Л.Б.Калинин, С. Г. Тихомиров. Искажения типа гестерезиса в усилителях мощности. // Электросвязь, 1976, N 8, с. 43-46.). Особенно ярко эти искажения проявляются при усилении телевизионных сигналов в каскадах, построенных на современных мощных транзисторах.

Анализ приведенного уровня техники свидетельствует о том, что задачей изобретения является создание устройства стабилизации режима транзистора, позволяющего уменьшить нелинейные инерционные искажения, возникающие в мощных транзисторных усилителях при усилении модулированных по амплитуде колебаний и обусловленные инерционными тепловыми процессами в транзисторах.

Это достигается тем, что в устройство стабилизации режима транзистора, содержащее первый транзистор, второй транзистор - датчик температуры, два конденсатора, четыре постоянных резистора и один переменный резистор, причем коллектор второго транзистора - датчика температуры соединен с базой первого транзистора, первый резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, введены третий транзистор в диодном включении, четвертый транзистор, пятый постоянный резистор и по крайней мере одно корректирующее звено, включающее в себя входной потенциометр, корректирующую цепь и выходной резистор, при этом эмиттер второго транзистора - датчика температуры соединен с общей шиной, эмиттер третьего транзистора соединен с шиной питания, а коллектор и база соединены между собой, второй резистор включен между коллекторами первого и третьего транзисторов, база четвертого транзистора соединена с коллектором первого транзистора, третий резистор включен между шиной питания и эмиттером четвертого транзистора, четвертый резистор и переменный резистор включены последовательно между общей шиной и эмиттером первого транзистора, пятый резистор включен между базой второго транзистора и точкой соединения четвертого резистора и переменного резистора, входы корректирующих звеньев соединены с коллектором четвертого транзистора, выходы соединены между собой, конденсатор включен между базой второго транзистора и точкой соединения выходов корректирующих звеньев, входом корректирующего звена является один крайний вывод входного потенциометра, другой соединен с общей шиной, средний вывод входного потенциометра соединен с входом корректирующей цепи, выходной резистор включен между выходом корректирующей цепи и выходом корректирующего звена, выходом устройства стабилизации является эмиттер первого транзистора.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 приведен фрагмент схемы мощного радиочастотного усилительного каскада с транзистором, работающим в режиме класса AB, для стабилизации режима которого используется предлагаемое устройство стабилизации режима транзистора с двумя корректирующими звеньями; на фиг. 3 показаны эпюры напряжений, демонстрирующих работу известного устройства стабилизации режима транзистора - прототипа изобретения; на фиг.4 - эпюры напряжений, демонстрирующих работу предлагаемого устройства стабилизации режима транзистора с двумя корректирующими звеньями.

Предлагаемое устройство стабилизации режима транзистора (фиг.1) содержит транзистор 1, транзистор 2 - датчик температуры, коллектор которого соединен с базой транзистора 1, а эмиттер - с общей шиной, резистор 3, включенный между шиной питания и коллектором транзистора 2, транзистор 4 в диодном включении, эмиттер которого соединен с шиной питания, а коллектор и база соединены между собой, резистор 5, включенный между коллекторами транзисторов 1 и 4, транзистор 6, база которого соединена с коллектором транзистора 1, резистор 7, включенный между шиной питания и эмиттером транзистора 6, резистор 8 и переменный резистор 9, включенные последовательно между общей шиной и эмиттером транзистора 1, резистор 10, включенный между базой транзистора 2 и точкой соединения резисторов 8 и 9, по крайней мере одно корректирующее звено 11, содержащее входной потенциометр 12, один крайний вывод которого является входом корректирующего звена 11, другой соединен с общей шиной, корректирующую цепь 13, выполненную, например, в виде интегрирующей RC-цепи с резистором 14, включенным между входом и выходом корректирующей цепи 13, и конденсатором 15, включенным параллельно выходу корректирующей цепи 13, вход которой соединен со средним выводом входного потенциометра 12, и резистор 16, включенный между выходом корректирующей цепи 13 и выходом корректирующего звена 11, причем входы корректирующих звеньев 11 подключены к коллектору транзистора 6, выходы соединены между собой, разделительный конденсатор 17, включенный между базой транзистора 2 и точкой соединения выходов корректирующих звеньев 11, выходом устройства стабилизации является эмиттер транзистора 1.

Устройство работает следующим образом.

Выходное напряжение устройства (согласно схеме фиг.1) можно записать
U_см = U_к2 - U_от1, (1)
где
U_к2 - напряжение на коллекторе транзистора 2;
U_от1 - напряжение отсечки транзистора 1.

U_к2 = E - R•B•S•(U_б2 - U_от2), (2)
где
E- напряжение источника питания устройства;
U_б2 - напряжение на базе транзистора 2;
U_от2 - напряжение отсечки транзистора 2;
B - статический коэффициент усиления транзистора 2;
S - крутизна входной характеристики транзистора 2.

U_б2 = k•U_см + k₁•U₁ + k₂•U₂ + ... k_N•U_N, (3)
где
k = 1/(R₁₀•g);
k₁ = 1/(R₁•g), k₂ = 1/(R₂•g), ....;
k_N = 1/(R_N•g);
g = S + 1/R₁₀ + 1/R₁ + 1/R₂ + ... + 1/R_N;
R₁₀ - сопротивление резистора 10;
R₁, R₂, . .. , R_N - сопротивление резистора 16 соответственно первого, второго... N-го корректирующего звена;
U₁, U₂, ... , U_N - выходное напряжение соответственно первого, второго . .. N-го корректирующего звена.

Учитывая (2) и (3), выражение для выходного напряжения (1) можно записать в виде
U_см = (E - U_от1 - R•B•S•(k₁•U₁ + k₂•U₂ + ... + k_N•U_N - U_от2))/(1 + R•B•S•k).

Поскольку в реальной схеме R•B•S•k >> 1, а (E - U_от2)/(R₄•B•S) << 1, то это выходное напряжение устройства стабилизации можно приближенно записать как
U_см = (U_от2 - k₁•U₁ - k₂•U₂ - ... - k_N•U_N/k.

Из этого выражения следует, что выходное напряжение предлагаемого устройства стабилизации режима транзистора - U_см зависит от нескольких слагаемых. Первое слагаемое U_от2 - напряжение отсечки транзистора - датчика температуры 2, имеющего тепловой контакт с корпусом транзистора усилителя мощности. Изменение температуры корпуса транзистора приводит к изменению напряжения U_от2 со скоростью приблизительно 2 мВ/град. Таким образом, при соответствующем выборе элементов схемы устройство обеспечивает стабилизацию режима транзистора усилителя при изменениях температуры корпуса. Эта часть схемы работает аналогично известному устройству стабилизации режима оконечного каскада - прототипу изобретения (Завражнов Ю.В. и др., Мощные высокочастотные транзисторы. /Под ред. Е.З. Мазеля. М.: Радио и связь, 1985, 176 с., с.168).

Остальные слагаемые определяются выходными напряжениями соответствующих корректирующих звеньев и позволяют стабилизировать режим работы транзистора усилителя при усилении модулированных по амплитуде колебаний, вызывающих модуляцию напряжения отсечки усилительного транзистора с частотой выше нескольких Герц, т. е. позволяют уменьшить нелинейные инерционные искажения, обусловленные тепловыми инерционными процессами в усилительном транзисторе.

Подробнее рассмотрим работу предлагаемого устройства в этой части на примере усиления мощным радиочастотным усилительным каскадом с транзистором, работающим в режиме класса AB, для стабилизации режима работы которого используется предлагаемое устройство стабилизации (фрагмент схемы приведен на фиг. 2), ТВ испытательного сигнала "Модуляция импульсами 50 Гц" (ГОСТ 20532 83).

Для сравнения сначала рассмотрим случай, когда для стабилизации режима транзистора усилительного каскада используется известное устройство - прототип изобретения. На фиг. 3 приведены эпюры напряжений, поясняющие работу известного устройства стабилизации.

На фиг. За приведены эпюры модулирующего ТВ испытательного сигнала " Модуляция импульсами 50 Гц ". Уровню черного соответствует больший уровень высокочастотного сигнала, уровню белого - меньший.

На фиг. 3б приведены эпюры напряжения отсечки усилительного транзистора VT. При большем уровне сигнала (уровне черного) нагрев кристалла усилительного транзистора приводит к постепенному уменьшению напряжения отсечки, при меньшем уровне сигнала (уровне белого) - наоборот.

В известном устройстве выходное напряжение - напряжение смещения, подаваемое на базу усилительного транзистора, U_см определяется температурой корпуса транзистора, которая из-за тепловой инерционности транзистора остается неизменной за период действия модулирующего сигнала. Соответственно и U_см не изменяется за период модулирующего сигнала (фиг.3в). Сравнение напряжения отсечки усилительного транзистора (фиг.3б) и выходного напряжения известного устройства стабилизации режима транзистора (фиг.3в) показывает, что при уровне черного угол отсечки коллекторного тока усилительного транзистора возрастает от некоторого минимального значения до максимального, соответственно возрастает и коэффициент усиления усилителя. При переходе от уровня черного к уровню белого наоборот происходит постепенное уменьшение угла отсечки коллекторного тока усилительного транзистора с соответствующим снижением коэффициента усиления усилителя. Это приводит к искажениям плоской части полукадровых импульсов, как показано на фиг. 3г, в усилительном каскаде с известным устройством стабилизации режима транзистора.

При использовании предлагаемого устройства для стабилизации режима работы транзистора (фиг.2) искажения плоской части полукадровых импульсов могут быть полностью скомпенсированы.

На фиг. 4а и фиг. 4б приведены эпюры напряжения модулирующего сигнала и напряжения отсечки усилительного транзистора, аналогичные эпюрам фиг. 3а и фиг. 3б.

Форма напряжения на коллекторе транзистора VT3 будет иметь вид, показанный на фиг. 4в, поскольку при большем уровне сигнала (уровне черного) увеличивается и ток коллектора VT1, примерно равный постоянной составляющей тока базы усилительного транзистора VT, соответственно увеличивается падение напряжения на резисторе R5 и возрастает до максимального уровня напряжение на коллекторе VT3.

На фиг. 4г приведена форма напряжения на выходе первой корректирующей RC-цепи с меньшим постоянным времени, фиг. 4д - второй корректирующей RC-цепи с большим постоянным времени, фиг. 4е - сумма этих напряжений.

Выходное напряжение предлагаемого устройства стабилизации режима транзисторов U_см - напряжение смещения, подаваемое на базу транзистора усилительного каскада VT, будет иметь вид, показанный на фиг.4ж. Выбором постоянных времени и уровня сигнала корректирующих цепей можно получить форму этого напряжения, соответствующую форме напряжения отсечки усилительного транзистора (фиг.4б). При этом угол отсечки коллекторного тока транзистора, а следовательно, режим работы усилительного транзистора (соответственно и коэффициент усиления каскада) будет неизменным как на уровне черного, так и на уровне белого, что исключает появление искажения плоской части импульсов частоты полей (фиг.4з), обусловленного тепловыми инерционными процессами в мощных усилительных транзисторах.

Аналогичным образом происходит стабилизация режима работы транзисторов в усилителях мощности с предлагаемым устройством стабилизации при усилении произвольных АМ (ИМ)-сигналов, что позволяет значительно уменьшить (в зависимости от количества используемых корректирующих звеньев) нелинейные искажения, обусловленные тепловыми инерционными процессами в мощных транзисторах.

Устройство относится к радиотехнике и может быть использовано в транзисторных усилителях мощности, в частности, телевизионных радиопередатчиков. Устройство стабилизации режима транзистора содержит транзистор (Т) 1, Т 2 - датчик температуры, коллектор которого соединен с базой Т 1, а эмиттер - с общей шиной, резистор (Р) 3, включенный между шиной питания и коллектором Т 2, Т 4 в диодном включении, эмиттер которого соединен с шиной питания, а коллектор и база соединены между собой, Р 5, включенный между коллекторами Т 1 и 4, Т 6, база которого соединена с коллектором Т 1, Р 7, включенный между шиной питания и эмиттером Т 6, Р 8 и переменный Р 9, включенные последовательно между общей шиной и эмиттером Т 1, Р 10, включенный между базой Т 2 и точкой соединения Р 8 и 9, по крайней мере одно корректирующее звено (КЗв) 11, содержащее входной потенциометр 12, один крайний вывод которого является входом КЗв 11, другой соединен с общей шиной, корректирующую цепь (КЦ) 13, выполненную, например, в виде интегрирующей RC-цепи с Р 14, включенным между входом и выходом КЦ 13, и конденсатором 15, включенным параллельно выходу КЦ 13, вход которой соединен со средним выводом входного потенциометра 12, и Р 16, включенный между выходом КЦ 13 и выходом КЗв 11, причем входы КЗв 11 подключены к коллектору Т 6, выходы соединены между собой, разделительный конденсатор 17, включенный между базой Т 2 и точкой соединения выходов КЗв 11, выходом устройства стабилизации является эмиттер Т 1. Это позволяет уменьшить нелинейные искажения, возникающие в мощных транзисторных усилителях при усилении модулированных по амплитуде колебаний и обусловленные инерционными тепловыми процессами в транзисторах. 4 ил.

Устройство стабилизации режима транзистора, содержащее первый транзистор, второй транзистор - датчик температуры, два конденсатора, четыре постоянных резистора и один переменный резистор, причем коллектор второго транзистора - датчика температуры соединен с базой первого транзистора, первый резистор включен между шиной питания и коллектором второго транзистора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены третий транзистор в диодном включении, четвертый транзистор, пятый постоянный резистор и по крайней мере одно корректирующее звено, включающее в себя входной потенциометр, корректирующую цепь и выходной резистор, при этом эмиттер второго транзистора - датчика температуры соединен с общей шиной, эмиттер третьего транзистора соединен с шиной питания, а коллектор и база соединены между собой, второй резистор включен между коллекторами первого и третьего транзисторов, база четвертого транзистора соединена с коллектором первого транзистора, третий резистор включен между шиной питания и эмиттером четвертого транзистора, четвертый резистор и переменный резистор включены последовательно между общей шиной и эмиттером первого транзистора, пятый резистор включен между базой второго транзистора и точкой соединения четвертого резистора и переменного резистора, входы корректирующих звеньев соединены с коллектором четвертого транзистора, выходы соединены между собой, конденсатор включен между базой второго транзистора и точкой соединения выходов корректирующих звеньев, при этом входом корректирующего звена является один крайний вывод входного потенциометра, другой соединен с общей шиной, средний вывод входного потенциометра соединен с входом корректирующей цепи, выходной резистор включен между выходом корректирующей цепи и выходом корректирующего звена, выходом устройства стабилизации является эмиттер первого транзистора.