УСИЛИТЕЛЬ ДЛЯ РАДИОТЕЛЕФОНА Российский патент 2001 года по МПК H03F3/04 H03F3/16 H04B1/38 H03G3/30 

Изобретение в общем случае касается усилителей, более конкретно усилителей мощности, в которых используются транзисторы, такие как полевые МОП-транзисторы, скомпонованные в зеркальной конфигурации по току.

В известных усилителях мощности устройств радиосвязи, таких как радиотелефоны, использовались биполярные транзисторы. Наиболее простым и экономичным решением при создании усилителя представляется размещение кристалла биполярного транзистора в стандартном пластиковом корпусе для поверхностного монтажа с последующей пайкой корпуса к печатной плате.

Примером усилителя радиочастоты является выданный Блэку патент США N 5160898 - "Усилитель мощности", правопреемник - "Моторола", дата подачи - 03 июня 1991. Данный патент предусматривает усилитель радиочастоты, содержащий транзистор, первый резистор и второй резистор. Транзистор имеет базу, эмиттер и коллектор с эмиттером, связанным с электрическим заземлением. Коллектор связан с первым выходным сигналом, а база связана с первым концом второго резистора. Усилитель радиочастоты также содержит источник регулируемого напряжения, связанный со вторым концом второго резистора и диод, имеющий анод и катод. Анод соединен с базой транзистора и с первым концом второго резистора, а катод связан с первым концом первого резистора и с первым входом сигнала.

Однако возникала проблема, которая делала непрактичным использование стандартной сборки для поверхностного монтажа во многих реализациях усилителей мощности, поскольку биполярные транзисторы имеют выходной вывод и теплоотвод, выходящие с одной стороны кристалла биполярного транзистора, и радиочастотные заземления, выходящие с другой стороны кристалла транзистора. Потребность обеспечить токопровод с низкими потерями для выходного сигнала и теплопровод для отвода тепла на одной стороне кристалла, и токопровод с низкими потерями для входного сигнала и токопровод для радиочастотных заземлений с другой стороны кристалла вызвала необходимость использовать процесс бортового прикрепления кристалла и процесс формирования проволочного монтажа для соединения транзисторов с печатной платой.

Конструкция усилителя должна обеспечивать поддержание тока смещения на оптимальном уровне для достижения, помимо прочих целей, требуемых усиления, выходной мощности и производительности. Кроме того, в случае радиотелефонов требуется, чтобы выходная мощность была регулируемой для достижения достаточной эффективности по мощности целесообразно регулировать выходную мощность посредством изменения тока смещения. Ток смещения реагирует на изменения сигнала управляющего напряжения. Интервал регулирования выходной мощности каждого каскада усилителя мощности ограничен сверху коэффициентом усиления усилителя, а снизу - изоляцией между входом и выходом, когда управляющее напряжение, а значит и ток-смещения, устанавливается на нуль. В этом интервале выходная мощность приблизительно пропорциональна квадрату тока смещения. Может возникать проблема, если нет возможности поддерживать оптимальное значение тока смещения из-за чрезмерной чувствительности тока смещения к изменениям параметров схемы.

В однокаскадном усилителе указанная проблема чувствительности может быть частично решена за счет использования замкнутой системы автоматического управления выходной мощностью, автоматически компенсирующей смещения параметров. Однако только последний каскад многокаскадного биполярного усилителя может оптимально регулироваться замкнутой системой автоматического управления выходной мощностью. Следовательно, многокаскадный усилитель не может правильно смещаться в каждом каскаде в точку оптимальной работы, при изменении параметров схемы. Кроме того, при чрезмерных изменениях параметров каскад формирователя многокаскадного усилителя может быть поврежден избыточной рассеиваемой мощностью, вызванной слишком большим током смещения.

Ток смещения находится в экспоненциальной зависимости от изменений управляющего напряжения при использовании биполярных транзисторов. Такая экспоненциальная зависимость может вызвать проблемы из-за высокой чувствительности тока смещения к незначительным изменениям параметров схемы. В частности, ток смещения в основном чувствителен к изменениям порогового напряжения, выше которого начинается протекание тока смещения. Вместе с тем в биполярных транзисторах изменения тока смещения в результате изменений указанного параметра оказались достаточно низкими, поскольку указанные пороговые значения в основном зависят от потенциала поля р-п-перехода кремниевой структуры. Однако при этом невозможно избежать использования дорогостоящего бортового прикрепления кристалла и формирования проволочных соединений.

В основу изобретения поставлена задача создания одно- или многокаскадного усилителя мощности, в котором бы использовались средства, легко монтируемые и имеющие выходную мощность, которую можно регулировать изменением тока смещения, в сочетании с низкой чувствительностью тока смещения к изменениям порога управляющего сигнала.

Фиг. 1 изображает блок-схему системы радиотелефонной связи, в которой может быть использовано данное изобретение.

Фиг. 2 - блок-схему передатчика, выполненного в соответствии с данным изобретением.

Фиг. 3 - принципиальную схему усилителя мощности согласно данному изобретению.

На фиг. 1 изображена в виде блок-схемы система радиотелефонной связи. Система радиотелефонной связи 100 содержит удаленный приемопередатчик 101, передающий и принимающий радиосигналы от радиотелефонов в установленном географическом регионе. Однако из таких радиотелефонов, находящихся в установленном географическом регионе, является радиотелефон 103. Радиотелефон 103 содержит антенну 105, радиоприемник 107, радиопередатчик 109, контроллер 111 и интерфейс пользователя 113.

При приеме радиосигналов радиотелефон 103 принимает радиосигналы через антенну 105. Антенна 105 преобразует принятые радиосигналы в электрические радиочастотные сигналы для использования их радиоприемником 107. Радиоприемник 107 демодулирует электрические радиосигналы, восстанавливает данные из радиосигнала и выводит данные на контроллер III. Контроллер III форматирует данные в распознаваемый речевой сигнал или информацию для использования интерфейсом пользователя 113. Интерфейс пользователя 113 передает принятую информацию или речевой сигнал пользователю. Обычно интерфейс пользователя содержит дисплей, клавиатуру, громкоговоритель и микрофон.

При передаче радиосигналов с радиотелефона 103 на удаленный приемопередатчик 101 интерфейс пользователя 113 передает вводимые пользователем данные на контроллер 111. Контроллер 111 обычно содержит микропроцессор, запоминающее устройство и схему управления усилителем мощности. Контроллер 111 форматирует информацию, полученную от интерфейса пользователя, и передает ее на передатчик 109 для преобразования в радиочастотные модулированные сигналы через линию передачи данных 115. Кроме того, контроллер 111 передает на передатчик 109 сигнал управления 117, имеющий некоторый уровень напряжения. Уровень напряжения сигнала управления 117 определяет мощность выходного радиосигнала передатчика 109. В предпочтительном варианте передатчик 109 имеет конфигурацию с многокаскадным усилителем мощности. Напряжение управляющего сигнала 117 определяется управляющей схемой, находящейся в контроллере 111. Управляющая схема использует сигнал обратной связи выходной мощности 119 для определения подходящего напряжения управляющего сигнала 117.

На фиг. 2 изображен в виде блок-схемы радиопередатчик 109, ранее показанный на фиг. 1. Передатчик 109 содержит первый модуль усилителя мощности 201, второй модуль усилителя мощности 203 и схему сдвига уровня 205. Сигнал данных 115, выходной сигнал контроллера 111 вводятся в первый модуль усилителя мощности 201. Ток смещения, проходящий через первый модуль усилителя мощности, находится в линейной зависимости от управляющего тока, полученного из напряжения управляющего сигнала 117. Как уже было ранее описано в патентах США 5520290 и 5160898 (автор Gregory R.Black), схема сдвига уровня 205 сдвигает напряжение управляющего сигнала 117 на определенную величину до ввода управляющего сигнала во второй модуль усилителя мощности 203. Согласно предпочтительному варианту выполнения напряжение управляющего сигнала сдвигается с понижением на 0,7 В. Усиленный выходной сигнал данных из первого модуля усилителя мощности 201 на выходной линии 207 поступает на второй модуль усилителя мощности 203. Второй модуль усилителя мощности 203 имеет ток смещения для регулирования уровня усиления второго усилителя мощности. Указанный второй ток смещения находится в линейной зависимости со вторым управляющим током. Второй управляющий ток возникает из смещенного управляющего напряжения выходного сигнала управления 117 схемы сдвига уровня 205. Второй усиленный сигнал данных 209 снимается со второго модуля усилителя мощности 203. Второй усиленный сигнал данных 209 содержит радиочастотные модулированные и усиленные данные для вывода на антенну 105, изображенную на фиг. 1. Кроме того, второй усиленный сигнал данных 209 возвращается на контроллер 111, показанный на фиг. 1, через управляющий сигнал обратной связи 119. Управляющий сигнал обратной связи 119 сообщает выходной уровень мощности из второго каскада 203 усилителя мощности схеме управления усилителем мощности в контроллере 111, изображенном на фиг. 1.

В предпочтительном варианте выполнения транзисторы, используемые в качестве активных устройств, составляющих модули усилителя, являются п-канальными кремниевыми полевыми МОП-транзисторами, работающими в режиме обогащения, которые объединены в схемы с заземленными истоками. Полевые МОП-транзисторы изготовляются из электропроводящей кремниевой пластины, в которой исток соединяется через объемный кремний пластины с задней стороной кристалла. Расположенный в задней части исток кремниевого полевого МОП-транзистора значительно упрощает конструкцию корпуса, поскольку теплопровод для отвода тепла может быть выполнен большим, одновременно улучшая электропроводящую линию заземления. Допускается использование и других изменяющих подобную эффективность транзисторов, например, других полевых транзисторов.

При использовании полевых МОП-транзисторов ток смещения пропорционален параметру активной междуэлектродной проводимости, B, и квадрату разности напряжения затвора V_g, и порогового напряжения V_t. 1d = ( β/2) • (V_g-V_t)².

Ввиду квадратной зависимости между напряжением затвора и пороговым напряжением существует потенциал для резкого изменения тока смещения усилителя под действием изменений V_t. В отличие от биполярных транзисторов, где пороговое напряжение зависит от присущих кремнию свойств, пороговое напряжение МОП-транзисторов зависит от концентраций примесей, которые могут изменяться в зависимости от обработки. Изменение V_t обычно определяется как ±50%. Чувствительность 1d к изменениям V_t рассчитывается как S_Vt = δ(1d)/δ(Vt) = β (V_g+V_t).
Чувствительность растет по мере роста управляющего напряжения V_g. Существует несколько подходов к решению проблемы неточности тока смещения, вызванных изменениями порога. Во-первых, можно спроектировать усилитель таким образом, чтобы большинство ключевых параметров, таких как усиление и выходная мощность, имели достаточные допустимые границы для того, чтобы выдержать изменения порогового уровня. Во-вторых, можно классифицировать устройства по измеренному пороговому уровню и использовать разный набор резисторов в цепи смещения для каждого класса устройств. В-третьих, можно регулировать резисторы в цепи смещения с помощью технологии подстройки во время сборки модуля. И наконец, предпочтительный вариант выполнения состоит в использовании токового зеркала в цепи смещения, которое имеет конфигурацию, показанную на фиг. 201. Обозначим отношение длительностей строб-импульсов первого транзистора 301 и второго транзистора 303 как К, резистивный элемент 307 как R_set и управляющее напряжение как V_ref, тогда ток смещения первого транзистора, 1d, будет приблизительно равен 1d = K•(V_ref - V_t)/R_set.

Линейная зависимость между 1d и V_ref объясняет, почему такая зеркальная компоновка делает ток смещения менее чувствительным к изменениям порогового напряжения. В этом случае чувствительность остается постоянной по мере роста управляющего напряжения и, следовательно, ниже, чем ранее, при высоких управляющих напряжениях.

S_Vt = δ(1d)/δ(Vt) = К/R_set.
На фиг. 3 детально изображен модуль 201 усилителя мощности по фиг. 2. В предпочтительном варианте выполнения второй модуль 203 усилителя мощности идентичен первому модулю 201 усилителя мощности, за исключением того, что размеры устройства и резисторы установки смещения пропорционально уменьшены в соответствии с требованиями по пиковой выходной мощности для каждого каскада. В альтернативном варианте выполнения, второй усилитель мощности может использовать МОП-устройство без токового зеркала, хотя и с более высокими изменениями смещения в первом каскаде из-за рассогласования между каскадами, поскольку цепь управления выходной мощностью устанавливает управляющее напряжение на оптимальную точку смещения выходного каскада.

Для простоты показан только первый модуль 201 усилителя мощности. Первый модуль 201 усилителя мощности содержит первый транзистор 301, содержащий сток, исток и затвор, второй транзистор, содержащий сток, исток и затвор, первый резистивный элемент 307 и первое индуктивное устройство 305 и электрическое заземление 309. Входной сигнал данных 115 передается на затвор первого транзистора 301. Управляющий сигнал 117 передается на сток, затвор первого транзистора и затвор второго транзистора 303 через первое резистивное устройство 307. В предпочтительном варианте выполнения первое резистивное устройство 307 является резистором величиной 510 см. Исток первого транзистора 301 связан с истоком второго транзистора 303, и они оба соединены с заземлением 309. Сток второго транзистора соединен со смещающим напряжением V_B+ через первый индуктивный элемент 305. В предпочтительном варианте первое индуктивное устройство 305 является катушкой индуктивности, имеющей значение 39 нГн. В альтернативном варианте первое индуктивное устройство может быть линией передачи, состоящей из линий сигнала и заземления на многослойной печатной, плате. Сток второго транзистора, также связан с усиленным выходным сигналом данных 207.

В усилителе (201) использованы транзисторы (301, 303), например полевые МОП-транзисторы, скомпонованные в зеркальной конфигурации по току. Транзисторы (301, 303) хорошо компонуются при поверхностном монтаже. Выходная мощность усилителя (201) регулируется посредством регулирования тока смещения, проходящего через каскад усилителя (201). Технический результат: усилитель (201) обладает низкой чувствительностью к изменениям тока смещения в зависимости от порогового уровня управляющего сигнала. Эти характеристики позволяют усилитель (201) использовать в радиопередатчике, таком как радиотелефон. 3 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Усилитель мощности, содержащий вход управления смещением, вход смещения, входной вывод данных и выходной вывод усиленных данных, причем входной вывод данных предназначен для приема входного сигнала данных, имеющего некоторый входной уровень мощности, указанный выходной вывод усиленных данных предназначен для выведения выходного сигнала, имеющего некоторый выходной уровень мощности, указанный вход управления смещением предназначен для приема сигнала управления смещением, имеющего некоторый ток управления, при этом указанный вход смещения предназначен для приема тока смещения, указанный усилитель содержит первый транзистор, имеющий сток, исток, затвор и первое пороговое напряжение, второй транзистор, имеющий сток, исток, затвор и второе пороговое напряжение, причем истоки первого и второго транзисторов связаны с электрическим заземлением, указанный усилитель отличается тем, что сток второго транзистора связан с выходным выводом усиленных данных и с входом смещения через индуктивное устройство, при этом затвор второго транзистора, затвор и сток первого транзистора связаны с входным выводом данных и входом управления смещением. 2. Усилитель по п. 1, отличающийся тем, что вход управления смещением связан с затвором и стоком первого транзистора и затвором второго транзистора через первый резистор. 3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что индуктивное устройство является катушкой индуктивности. 4. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что индуктивное устройство является линией передачи. 5. Усилитель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что первый и второй транзисторы расположены на первом кристалле, в котором кремниевая подложка является электропроводной, а истоки первого и второго транзисторов соединены с кремниевой подложкой. 6. Многокаскадный усилитель мощности, в котором первый сигнал управления подается на первый каскад усилителя мощности, имеющий первый ток смещения, первый ток управления и первое пороговое напряжение, при этом первый ток управления получен из управляющего напряжения и первого порогового напряжения, первый ток смещения находится в линейной зависимости от первого тока управления, отличающийся тем, что первый каскад усилителя мощности содержит первый транзистор, имеющий сток, исток, затвор, при этом сток первого транзистора связан с выходным выводом усиленных данных и входом смещения и содержит второй транзистор, имеющий сток, исток, затвор и второе пороговое напряжение, при этом затворы первого и второго транзисторов и сток второго транзистора связаны с входным выводом сигнала данных и входом управления смещением, а истоки первого и второго транзисторов связаны с электрическим заземлением и первое пороговое напряжение равно второму пороговому напряжению, так что выходной уровень мощности находится в зависимости с входным уровнем мощности и током смещения, который находится в линейной зависимости с первым током управления, и тем, что содержит второй каскад усилителя мощности, содержащий второй ток смещения, второй ток управления и третье пороговое напряжение, при этом второй ток управления получен из управляющего напряжения и третьего порогового напряжения. 7. Многокаскадный усилитель по п.6, отличающийся тем, что второй каскад усилителя мощности содержит первый транзистор, имеющий сток, исток, затвор и первое пороговое напряжение, сток первого транзистора связан с выходным выводом усиленных данных и входом смещения, также содержит второй транзистор, имеющий сток, исток, затвор и второе пороговое напряжение, при этом затворы первого и второго транзисторов и сток второго транзистора связаны с входным выводом сигнала данных и входом управления смещением, при этом истоки первого и второго транзисторов связаны с электрическим заземлением, а первое пороговое напряжение равно второму пороговому напряжению, так что уровень выходной мощности находится в зависимости от входного уровня мощности и тока смещения, который находится в линейной зависимости с током управления. 8. Радиотелефон, содержащий контроллер для формирования первого сигнала управления, имеющего управляющее напряжение, передатчик, вход которого связан с контроллером, содержащий первый каскад усилителя мощности, имеющий первый ток смещения, первый ток управления и первое пороговое напряжение, первый ток управления получен из управляющего напряжения и первого порогового напряжения, первый ток смещения находится в линейной зависимости от первого тока управления, отличающийся тем, что первый каскад усилителя мощности содержит первый транзистор, имеющий сток, исток и затвор, при этом сток первого транзистора связан с выходным выводом усиленных данных и входом смещения, а также второй транзистор, имеющий сток, исток, затвор и второе пороговое напряжение, при этом затворы первого и второго транзисторов и сток второго транзистора связаны с входным выводом сигнала данных и входом управления смещением, истоки первого и второго транзисторов связаны с электрическим заземлением и первое пороговое напряжение равно второму пороговому напряжению, так что выходной уровень мощности находится в зависимости от входного уровня мощности и первого тока смещения, который находится в линейной зависимости от первого тока управления, а также содержит второй каскад усилителя мощности, имеющий второй ток смещения, второй ток управления и третье пороговое напряжение, и второй ток управления получен из управляющего напряжения и второго порогового напряжения. 9. Радиотелефон по п.8, отличающийся тем, что второй ток смещения находится в линейной зависимости от второго тока управления. 10. Радиотелефон по п. 8 или 9, отличающийся тем, что второй каскад усилителя мощности содержит первый транзистор, имеющий сток, исток, затвор и первое пороговое напряжение, а также второй транзистор, имеющий сток, исток, затвор и второе пороговое напряжение, при этом сток первого транзистора соединен с выходным выводом усиленных данные и входом смещения, затвор первого и второго транзисторов и сток второго транзистора связаны с входным выводом сигнала данных и входом управления смещением, истоки первого и второго транзисторов связаны с электрическим заземлением, первое пороговое напряжение равно второму пороговому напряжению, так что выходной уровень мощности находится в линейной зависимости от входного уровня мощности и тока смещения, который линейно зависит от тока управления.