Устройство температурной стабилизации линейного усилителя мощности на полевых транзисторах

Авторы патента:

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в линейных усилителях мощности радиопередатчиков, выполненных на мощных высокочастотных полевых транзисторах. Технический результат - устранение зависимости температурного коэффициента устройства температурной стабилизации от величины его выходного напряжения. Для этого в устройство введены второй буферный усилитель (8), второй (5) и третий (6) регулируемые делители напряжения и вычитающее устройство (4), выход которого через последовательно соединенные третий (6) регулируемый делитель напряжения и второй (8) буферный усилитель подключен к отрицательному входу дифференциального усилителя (9), выход которого является выходом устройства, кроме того, выход источника опорного напряжения (1) соединен с входами первого (3) и второго (5) регулируемых делителей напряжения, при этом выход первого (3) регулируемого делителя напряжения подключен к отрицательному входу вычитающего устройства (4), а выход второго (5) регулируемого делителя напряжения через первый буферный усилитель (7) - к положительному входу дифференциального усилителя (9) причем выход датчика температуры (2) соединен с положительным входом вычитающего устройства (4).

Как известно, для повышения энергетической эффективности радиопередатчиков транзисторы в мощных усилительных каскадах работают в режимах с отсечкой тока. При этом линейные усилители мощности работают в режиме класса АВ с оптимальным начальным током, который должен поддерживаться при изменении температуры транзистора при его саморазогреве и изменении температуры окружающей среды с точностью не хуже ±5%, особенно если речь идет об усилителях мощности базовых станций аппаратуры беспроводной связи [Intersil Corporation. Application Note AN1385.0 «LDMOS Transistor Bias Control in Basestation RF Power Amplifiers Using Intersil's ISL21400». February 27, 2007.].

Такие усилители выполняются, как правило, на мощных высокочастотных полевых транзисторах, в том числе выполненных по технологии LDMOS. Для стабилизации начального тока LDMOS транзисторов применяются специальные устройства - схемы термостабилизации, создающие напряжение смещения с соответствующим отрицательным температурным коэффициентом [Sirenza Microdevices. Application note AN067 «LSMOS Bias Temperature Compensation», O. Lembeye and J.C. Nanan, «Effect of Temperature on High-Power RF LDMOS Transistors». Applied Microwave & Wireless. 2002, Volume 14, p.36-43.].

Известны схемы термостабилизации, в которых датчиком температуры служат полупроводниковый кремниевый диод или кремниевый биполярный транзистор в диодном включении, размещенные в непосредственной близости к стабилизируемому транзистору (AN 1643, Motorola, WO 108298 A1, US 6091279). При построении таких датчиков температуры используют свойство p-n перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. Температурный коэффициент напряжения p-n перехода отрицателен и имеет для кремниевого диода типовое значение -2 мВ/°С.

Недостатком таких устройств является трудность согласования температурных характеристик упомянутых датчиков температуры и стабилизируемых транзисторов, [Т. Millward, «Biasing LDMOS FET devices in RF power amplifiers», ELEKTRON JOURNAL- SOUTH AFRICAN INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS, 2005, VOL 22; NUMB 11, pages 26-29; С.Blair «Biasing LDMOS FETs for Linear Operation». APPLIED& WIRELESS. Vol.12, 1, January 2000.; US20050200418.pdf], поскольку температурный коэффициент последних зависит от величины начального тока и может существенно отличаться от значения -2 mV/°C. При этом зависимость температурного коэффициента стабилизируемых транзисторов от величины их начального тока нелинейна, причем абсолютная величина температурного коэффициента транзистора возрастает с уменьшением начального тока [О.Lembeye and J.C.Nanan, «Effect of Temperature on High-Power RF LDMOS Transistors». Applied Microwave & Wireless. 2002, Volume 14, p.36-43.]

Кроме того, ни у одного диода не нормируются ни температурный коэффициент напряжения, ни его стабильность, что затрудняет их применение в качестве датчиков температуры, особенно при серийном производстве аппаратуры.

Точное согласование температурных характеристик датчика температуры и стабилизируемого транзистора возможно при использовании в качестве датчика температуры схемы умножения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора (Vbe Multiplier), как это предлагается в известных схемах температурной стабилизации LDMOS транзисторов фирм Freescale Semiconductor и NXP Semiconductor (RF Power Reference Design Library.

«VHF Digital TV Broadcast Reference Design». http://freescale.com/RFbroadcast>Design Support>Reference Designs. Rev. 0, 6. 2011, Application note AN10714 «Using the BLF574 in the 88 MHz to 108 MHz FM band». NXP Semiconductors. Rev. 01, - 26 January, 2010.)

Недостатком схемы термостабилизации с датчиком температуры в виде устройства умножения напряжения база-эмиттер биполярного транзистора является то, что, также как и для диодов, указанное напряжение для биполярного транзистора не является нормируемым параметром, что приводит к необходимости измерения температурных характеристик реальной конструкции усилителя мощности для уточнения номиналов резисторов делителя напряжения устройства умножения напряжения база-эмиттер [RF Power Reference Design Library. «VHF Digital TV Broadcast Reference Design». http://freescale.com/RFbroadcast>Design Support>Reference Designs. Rev. 0, 6.2011].

Известны схемы температурной стабилизации LDMOS транзисторов с использованием упомянутых интегральных датчиков [Т.Millward, «Biasing LDMOS FET devices in RF power amplifiers», ELEKTRON JOURNAL- SOUTH AFRICAN INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS, 2005, VOL 22; NUMB 11, pages 26-29 Fig.4b; C.Blair «Biasing LDMOS FETs for Linear Operation». APPLIED&WIRELESS. Vol.12, 1, January 2000. Fig.3; US 6215358]

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство температурной стабилизации, представленное в патенте US 6215358, принятое за прототип.

Устройство-прототип содержит датчик температуры с положительным температурным коэффициентом, имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого транзистора, источник опорного напряжения, дифференциальный усилитель и буферный усилитель, через который выход датчика температуры подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника опорного напряжения. Выход дифференциального усилителя подключен к регулируемому делителю напряжения, состоящему из постоянного резистора (верхнее плечо) и переменного резистора (нижнее плечо). Средняя точка регулируемого делителя является выходом устройства, напряжение с которого подается в цепь затвора стабилизируемого транзистора.

Недостатком устройства-прототипа является зависимость температурного коэффициента от величины выходного напряжения, которая приводит к тому, что для транзисторов с разным пороговым напряжением затвора при одинаковом начальном токе температурный коэффициент оказывается разным. Более того, при регулировке начального тока стабилизируемого транзистора с помощью регулируемого делителя, абсолютное значение температурного коэффициента его выходного напряжения изменяется в направлении, противоположном требуемому.

Задача предлагаемого технического решения - устранение зависимости температурного коэффициента устройства температурной стабилизации от величины его выходного напряжения.

Для решения поставленной задачи в устройство температурной стабилизации линейного усилителя мощности на полевых транзисторах, содержащее датчик температуры с положительным температурным коэффициентом и выходным напряжением пропорциональным температуре, и имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого полевого транзистора усилителя мощности, источник опорного напряжения положительной полярности, дифференциальный усилитель, имеющий положительный и отрицательный входы, первый буферный усилитель и первый регулируемый делитель напряжения, согласно полезной модели, введены второй буферный усилитель, второй и третий регулируемые делители напряжения и вычитающее устройство, выход которого через последовательно соединенные третий регулируемый делитель напряжения и второй буферный усилитель подключен к отрицательному входу дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход источника опорного напряжения соединен с входами первого и второго регулируемых делителей напряжения, при этом выход первого регулируемого делителя напряжения подключен к отрицательному входу вычитающего устройства, а выход второго регулируемого делителя напряжения через первый буферный усилитель - к положительному входу дифференциального усилителя, причем выход датчика температуры соединен с положительным входом вычитающего устройства.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - источник опорного напряжения положительной полярности;

2 - датчик температуры с положительным температурным коэффициентом;

3 - первый регулируемый делитель напряжения;

4 - вычитающее устройство;

5 - второй регулируемый делитель напряжения;

6 - третий регулируемый делитель напряжения;

7 - первый буферный усилитель;

8 - второй буферный усилитель;

9 - дифференциальный усилитель.

Предлагаемое устройство содержит датчик температуры с положительным температурным коэффициентом 2 и выходным напряжением пропорциональным температуре, подключенный к положительной шине питания и имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого полевого транзистора усилителя мощности (на фиг.1 не показан). Выход датчика температуры 2 подсоединен к положительному входу вычитающего устройства 4, выход которого через последовательно соединенные третий регулируемый делитель напряжения 6 и второй буферный усилитель 8 подключен к отрицательному входу дифференциального усилителя 9, выход которого является выходом устройства, с которого напряжение температурной стабилизации подается в цепь затвора стабилизируемого полевого транзистора усилителя мощности. Кроме того, источник опорного напряжения положительной полярности 1, выход которого соединен с входами первого 3 и второго 5 регулируемых делителей напряжения. При этом выход первого регулируемого делителя напряжения 3 подключен к отрицательному входу вычитающего устройства 4, а выход второго регулируемого делителя напряжения 5 через первый буферный усилитель 7 - к положительному входу дифференциального усилителя 9.

Предлагаемое устройство питается от двухполярного источника питания.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Регулировка предлагаемого устройства производится в нормальных климатических условиях. Перед регулировкой первый регулируемый делитель напряжения 3 устанавливается в среднее положение, второй 5 и третий 6 регулируемые делители напряжения устанавливаются в положения с минимальным уровнем выходного напряжения.

При включении устройства (без подачи сигнала возбуждения на стабилизируемый усилитель мощности) датчик температуры 2 генерирует соответствующее температуре выходное напряжение, которое подается на положительный вход вычитающего устройства 4. С помощью первого регулируемого делителя напряжения 3 на отрицательном входе вычитающего устройства 4 устанавливается такое напряжение, при котором напряжение на выходе вычитающего устройства 4 относительно корпуса становится равным нулю. При этом напряжение на отрицательном и положительном входах дифференциального усилителя 9 относительно корпуса также будет равно нулю. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 9 также будет равно нулю, и стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности окажется в запертом состоянии. Далее с помощью второго регулируемого делителя напряжения 5 увеличивается напряжение на входе первого буферного усилителя 7 и, соответственно, на положительном входе дифференциального усилителя 9 до такого уровня, при котором на его выходе напряжение достигнет величины, необходимой для установления требуемой величины тока покоя стабилизируемого транзистора при нормальной температуре. После этого на стабилизируемый усилитель подается сигнал возбуждения и после некоторого прогрева (желательно до температуры транзистора (60-80)°С), когда начальный ток стабилизируемого транзистора увеличится по сравнению с установленным значением, с помощью регулируемого делителя напряжения 6 устанавливается ранее выставленное значение начального тока стабилизируемого транзистора. При этом автоматически устанавливается температурный коэффициент устройства стабилизации, соответствующий выбранной величине начального тока стабилизируемого транзистора.

Входящие в состав предлагаемого устройства регулируемые делители напряжения 3, 5 и 6 в простейшем случае могут быть выполнены в виде потенциометров. Для обеспечения плавности регулировки указанные потенциометры могут подключаться к источнику опорного напряжения 1 и корпусу через дополнительные резисторы. При этом для расширения функциональных возможностей устройства температурной стабилизации, регулируемые делители напряжения 5 и 6 могут быть выполнены в виде цифровых потенциометров. В этом случае появляется возможность программной установки оптимальных значений начального тока стабилизируемого усилительного каскада для различных видов усиливаемого сигнала.

Более стабильных характеристик и их повторяемости в серийном производстве можно достичь при использовании в качестве датчика температуры специальных интегральных микросхем с нормированной линейной зависимостью выходного напряжения от температуры. Примером могут служить широко распространенные датчики температуры К1019ЕМ1 отечественного производства или LM235 фирмы National semiconductor, имеющие калиброванный температурный коэффициент выходного напряжения 10 mV/°K.

Вычитающее устройство, дифференциальный усилитель, первый и второй буферные усилители выполнены на основе интегральных операционных усилителей, например 140УД7 отечественного производства или AD820 фирмы Analog Devices.

В качестве интегральных операционных усилителей используется счетверенный интегральный операционный усилитель, например 1401УД2 отечественного производства или AD824 фирмы Analog Devices.

В качестве источника опорного напряжения используется интегральный стабилизатор напряжения, например L78L08C фирмы STMicroelectronics

1. Устройство температурной стабилизации линейного усилителя мощности на полевых транзисторах, содержащее датчик температуры с положительным температурным коэффициентом и выходным напряжением, пропорциональным температуре, и имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого полевого транзистора усилителя мощности, источник опорного напряжения положительной полярности, дифференциальный усилитель, имеющий положительный и отрицательный входы, первый буферный усилитель и первый регулируемый делитель напряжения, отличающееся тем, что введены второй буферный усилитель, второй и третий регулируемые делители напряжения и вычитающее устройство, выход которого через последовательно соединенные третий регулируемый делитель напряжения и второй буферный усилитель подключен к отрицательному входу дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, кроме того, выход источника опорного напряжения соединен с входами первого и второго регулируемых делителей напряжения, при этом выход первого регулируемого делителя напряжения подключен к отрицательному входу вычитающего устройства, а выход второго регулируемого делителя напряжения через первый буферный усилитель - к положительному входу дифференциального усилителя, причем выход датчика температуры соединен с положительным входом вычитающего устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй и третий регулируемые делители напряжения выполнены виде потенциометров с дополнительными резисторами, обеспечивающими растяжку диапазона регулировки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй и третий регулируемые делители напряжения выполнены виде цифровых потенциометров.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вычитающее устройство, дифференциальный усилитель, первый и второй буферные усилители выполнены на основе интегральных операционных усилителей.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве интегральных операционных усилителей используется счетверенный интегральный операционный усилитель.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника опорного напряжения используется интегральный стабилизатор напряжения.