Схема смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией Российский патент 2024 года по МПК H03C1/00 

Изобретение относится к высокочастотной (ВЧ) радиотехнике, к каскадам усиления, работающим в ключевом режиме со 100% амплитудной модуляцией (манипуляцией).

Амплитудная манипуляция в ключевых каскадах, если она осуществляется прерыванием ВЧ сигнала на входе каскада, отличается очень крутыми фронтами, как передним, так и задним. В современных ключевых каскадах на затворы силового ВЧ транзистора подается практически TTL сигнал. Фронты радиоимпульса при этом могут составлять 2-3 периода ВЧ сигнала.

На заднем фронте радиоимпульса, при резком спаде тока потребления, на стоках ВЧ транзистора появляется всплеск напряжения в связи с тем, что в цепи питания транзистора имеется достаточно большая индуктивность выходного трансформатора, дросселей фильтра питания и пр.

Эпюра напряжения на стоке ВЧ транзистора при амплитудной манипуляции полученная экспериментальным путем представлена на фиг. 1. Рабочая часть радиоимпульса имеет напряжение U₁, которое определяется результатом проектирования каскада и расчета его выходной цепи.

Устранение описанного явления путем искусственного увеличения времени спада заднего фронта радиоимпульса возможно, но в подавляющем большинстве случаев неприемлемо по причине ухудшения модуляционных качеств каскада, таких как, например, скорость передачи информации.

Известна схема раскачки LDMOSFET [1], [2], [3] с использованием прямого подключения драйверов полевого транзистора, фиг 2, содержащая ВЧ вход каскада, вход импульсной манипуляции, клемму питания, ВЧ выход каскада, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET, выходной ВЧ трансформатор, дроссель фильтра питания. или с использованием трансформатора импеданса, фиг.3, содержащая ВЧ вход каскада, вход импульсной манипуляции, клемму питания, ВЧ выход каскада, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор, выходной ВЧ трансформатор, дроссель фильтра питания.

Данные схемы силовых ВЧ транзисторов, имеют справочное напряжение U_(BR)DSS (drain-source breakdown voltage) - напряжение самоотпирания. Незначительное превышение этого напряжения не опасно, т.к. современные LDMOSFET производятся по технологии обеспечивающей определенную лавиностойкость. Однако энергия лавинного пробоя ограничена (на фиг.1, U_{AVAL Limit}). Если исходное напряжение на стоке транзистора развивается таким, что вызванная им лавина по энергии превышает предел, транзистор выходит из строя.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретение, заключается в повышении надежности.

Технический результат заключается в сохранении времени спада заднего фронта радиоимпульса исходно высоким и полном устранении образования выброса на стоках силового высокочастотного (ВЧ) транзистора.

Указанный технический результат достигается в схеме смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией, содержащая входы высокочастотного (ВЧ) каскада и импульсной модуляции, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор Т1, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET VT1, выходной ВЧ трансформатор Т2, дроссель фильтра питания L1, ВЧ выход каскада К4, при этом дополнительно содержит цепь R1C1, подключенную параллельно к средней точке вторичной обмотки входного ВЧ трансформатора Т1, подключенной к затворам силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1, а также диоды VD1, VD2, образующие в совокупности с конденсатором С1 детектор положительной полуволны.

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, где

Фиг.1 - Эпюры напряжений на стоках силового ВЧ транзистора при амплитудной манипуляции.

Фиг.2 - схема раскачки LDMOSFET с использованием прямого подключения драйверов полевого транзистора, где:

К1 - ВЧ вход каскада;

К2 - вход импульсной манипуляции;

К3 - клемма питания;

К4 - ВЧ выход каскада;

D1 - драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET;

VT1 - силовой ВЧ транзистор LDMOSFET;

Т2 - выходной ВЧ трансформатор;

L1 - дроссель фильтра питания.

Фиг.3 - схема раскачки LDMOSFET с использованием трансформатора импеданса, где:

Т1 - входной ВЧ трансформатор;

D1 - драйвер полевого транзистора;

Т2 - выходной ВЧ трансформатор.

Фиг.4 - схема заявленного изобретения, где:

R1 – резистор;

C1 – конденсатор;

VD1 - диод;

VD2 – диод.

Заявленная схема одновременно сохраняет время спада заднего фронта радиоимпульса исходно высоким и полностью устраняет образования выброса на стоках силового ВЧ транзистора, фиг. 4.

Схема отличается тем, что имеется резистор R1 и конденсатор С1 подключенные параллельно к средней точке вторичной обмотки (обмотке затворов силового ВЧ транзистора) входного ВЧ трансформатора с одной стороны и общим проводом (землей), с другой стороны. Имеются диоды VD1, VD2, подключенные катодами к затворам силового ВЧ транзистора и анодами к земле.

Диоды VD1 и VD2 в совокупности с конденсатором С1 образуют амплитудный детектор положительной полуволны, что приводит к появлению на затворах силового ВЧ транзистора VT1 постоянного напряжения (напряжение смещения) в то время, когда ВЧ входной сигнал присутствует. Напряжение смещения равно половине размаха входного ВЧ сигнала и не выводит транзистор VT1 из ключевого режима и не снижает КПД каскада.

Когда входной ВЧ сигнал прерывается модуляцией (отсутствует), напряжение смещения продолжает присутствовать время, определяемое постоянной времени цепи R1, C1. Это напряжение больше напряжения отпирания транзистора VT1. Таким образом оба плеча VT1 некоторое время оказываются одновременно открытыми и шунтируя выходной трансформатор гасят ток, запасенный в индуктивностях выходной цепи Т2 и L1, тем самым предотвращая появление выброса напряжения на стоках VT1, как если бы плечи транзистора VT1 мгновенно оба закрылись при прекращении входного ВЧ сигнала.

Постоянная времени цепи R1C1 выбирается достаточной для полного гашения тока, запасенного в индуктивностях Т2 и L1, но в тоже время без избытка. В этом случае снижение КПД лишь в незначительной степени будет наблюдаться только в режиме модуляции с высокой скоростью, когда временная доля длительностей переднего и заднего фронта занимает в периоде ВЧ сигнала 10% и более, и не наблюдаться вовсе в непрерывном режиме. Постоянная времени R1C1 должна равняться приблизительно трем периодам ВЧ сигнала, т.к. наблюдения и эксперименты показали, что 90% энергии выброса содержатся в указанном интервале.

Пример реализации схемы на заданной частоте ВЧ сигнала

Для примера выберем частоту ВЧ сигнала, равную

F=10 МГц = 10⁶ Гц.

Период ВЧ сигнала составляет

Т= 1/F = 10^-7 с.

Поскольку 90% энергии индуктивного выброса содержится в трех периодах ВЧ колебаний, время необходимое для его гашения составляет

Т_ГАШ = 3Т = 3×10^-7 с.

Постоянная времени цепи R1C1 так же должна составлять 0,3 мкс. Поскольку постоянная цепи определяется по формуле

τ = RC,

то рассчитать можно только значение R при заданном С и наоборот. Пусть R=1 кОм, тогда

С = τ / R,

С = 3×10^-7/ 10³ = 3×10^-10 = 300 пФ

Источники информации:

1. https://www.microsemi.com/sites/default/files/micnotes/DRF1200.pdf, дата публикации 22.12.2008, 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET Hybrid (рис. 2).

2. https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1811_C.pdf 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET (Рис. 7)

https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1812%20C.pdf, дата публикации сентябрь, 2011г, 13.56 MHz, Class D Push-Pull, 2KW RF Generator with Microsemi DRF1300 Power MOSFET Hybrid (Рис.3).

Изобретение относится к высокочастотной (ВЧ) радиотехнике. Технический результат заключается в сохранении времени спада заднего фронта радиоимпульса исходно высоким и полном устранении образования выброса на стоках силового высокочастотного (ВЧ) транзистора. Для этого схема смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией содержит входы высокочастотного (ВЧ) каскада и импульсной модуляции, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор Т1, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET VT1, выходной ВЧ трансформатор Т2, дроссель фильтра питания L1, ВЧ выход каскада К4, цепь R1С1, подключенную параллельно к средней точке вторичной обмотки входного ВЧ трансформатора Т1, подключенной к затворам силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1, а также диоды VD1, VD2, образующие в совокупности с конденсатором С1 детектор положительной полуволны, а входы ВЧ каскада и импульсной модуляции через драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET соединены с первичной обмоткой входного ВЧ трансформатора, плечи силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1 соединены с первичной обмоткой выходного ВЧ трансформатора Т2, а к средней точке первичной обмотки выходного ВЧ трансформатора Т2 подключен дроссель фильтра питания L1. 4 ил.

Схема смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией, содержащая входы высокочастотного (ВЧ) каскада и импульсной модуляции, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор Т1, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET VT1, выходной ВЧ трансформатор Т2, дроссель фильтра питания L1, ВЧ выход каскада К4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит цепь R1С1, подключенную параллельно к средней точке вторичной обмотки входного ВЧ трансформатора Т1, подключенной к затворам силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1, а также диоды VD1, VD2, образующие в совокупности с конденсатором С1 детектор положительной полуволны, при этом входы ВЧ каскада и импульсной модуляции через драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET соединены с первичной обмоткой входного ВЧ трансформатора, плечи силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1 соединены с первичной обмоткой выходного ВЧ трансформатора Т2, а к средней точке первичной обмотки выходного ВЧ трансформатора Т2 подключен дроссель фильтра питания L1.