Устройство температурной стабилизации начального тока мощного высокочастотного полевого транзистора

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 достижения технического результата в устройство введены второй (4) и третий (6) резистивные регуляторы, второй (7), третий (8) и четвертый (10) буферные усилители, причем средний вывод первого резистивного регулятора (4) соединен с входом второго буферного усилителя (7), выход которого соединен с одним из крайних выводов второго резистивного регулятора (6), другой крайний вывод которого соединен с выходом первого буферного усилителя (3), а средний вывод второго резистивного регулятора (6) через третий буферный усилитель (8) соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя (5), выход которого является выходом устройства, при этом неинвертирующий вход дифференциального усилителя (5) соединен с выходом четвертого буферного усилителя (10), вход которого соединен со средним выводом третьего резистивного регулятора (9), один из крайних выводов которого соединен с выходом источника опорного напряжения (2), а другой его крайний вывод заземлен.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в линейных усилителях мощности радиопередатчиков, выполненных на мощных высокочастотных полевых транзисторах.

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 AN 1385.0 «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 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 устройства 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.; US 20050200418.pdf], поскольку температурный коэффициент последних зависит от величины начального тока и может существенно отличаться от значения -2 мВ/°С. 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 стабильность этого коэффициента, что затрудняет их, диодов, 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 устройствах 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 устройства 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 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». AP-PLIED&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). Один из крайних выводов регулируемого делителя заземлен, а его средняя точка 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 выходного напряжения устройства температурной стабилизации от величины его выходного напряжения.

Для решения поставленной задачи в устройство температурной стабилизации начального тока мощного высокочастотного полевого транзистора, содержащее датчик температуры с положительным температурным коэффициентом и выходным напряжением пропорциональным температуре, имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого высокочастотного полевого транзистора усилителя мощности, источник опорного напряжения, первый буферный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика температуры, первый резистивный регулятор, один из крайних выводов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а другой крайний вывод заземлен, а также дифференциальный усилитель, согласно полезной модели, введены второй и третий резистивные регуляторы, второй, третий и четвертый буферные усилители, причем средний вывод первого резистивного регулятора соединен с входом второго буферного усилителя, выход которого соединен с одним из крайних выводов второго резистивного регулятора, другой крайний вывод которого соединен с выходом первого буферного усилителя, а средний вывод второго резистивного регулятора через третий буферный усилитель соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, при этом неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом четвертого буферного усилителя, вход которого соединен со средним выводом третьего резистивного регулятора, один из крайних выводов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а другой его крайний вывод заземлен.

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

1 - датчик температуры с положительным температурным коэффициентом;

2 - источник опорного напряжения;

3, 7, 8, 10 - первый, второй, третий и четвертый буферный усилитель;

4, 6, 9 - первый, второй и третий резистивный регулятор;

5 - дифференциальный усилитель.

Предлагаемое устройство содержит датчик температуры 1 с положительным температурным коэффициентом и выходным напряжением пропорциональным температуре, подключенный к шине питания и имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого полевого транзистора усилителя мощности (на фиг.1 не показан). Выход датчика температуры 1 через первый буферный усилитель 3 подключен к одному из крайних выводов второго резистивного регулятора 6, другой крайний вывод которого соединен с выходом второго буферного усилителя 7, а средний вывод второго резистивного регулятора 6 через третий буферный усилитель 8 подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя 5, выход которого является выходом устройства, с которого напряжение температурной стабилизации подается в цепь затвора стабилизируемого высокочастотного полевого транзистора усилителя мощности (на фиг.1 не показан). При этом вход второго буферного усилителя 7 подключен к среднему выводу первого резистивного регулятора 4, один из крайних выводов которого подключен к выходу источника опорного напряжения 2, а другой крайний вывод заземлен. Выход источника опорного напряжения 2 подключен также к одному из крайних выводов третьего резистивного регулятора 9, второй крайний вывод которого заземлен, а средний вывод через четвертый буферный усилитель 10 подключен к неинвертирующему входу дифференциального усилителя 5.

Резистивный регулятор может представлять собой потенциометр или последовательное соединение первого резистора, потенциометра и второго резистора, причем первый вывод первого резистора является первым крайним выводом резистивного регулятора, второй вывод первого резистора соединен с одним из крайних выводов потенциометра, второй крайний вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого является вторым крайним выводом резистивного регулятора, средним выводом которого является средний вывод потенциометра. Выполнение резистивного регулятора в таком виде обеспечивает большую плавность регулировки.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Регулировка предлагаемого устройства производится в нормальных климатических условиях. Перед подачей на устройство напряжения питания движки первого 4 и второго 6 резистивных регуляторов устанавливаются в среднее положение, движок третьего резистивного регулятора 9 устанавливается в положение, обеспечивающее минимальный уровень напряжения на входе четвертого буферного усилителя 10 и соответственно на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 5.

При включении устройства (без подачи сигнала возбуждения на стабилизируемый усилитель мощности) датчик температуры 1 генерирует соответствующее температуре выходное напряжение, которое через первый буферный усилитель 3 подается на один из крайних выводов второго резистивного регулятора 6. Равное по величине напряжение устанавливается на другом крайнем выводе третьего резистивного регулятора 9 с помощью первого резистивного регулятора 4. При этом такое же напряжение оказывается и на среднем выводе резистивного регулятора 6, и через третий буферный усилитель 8 оно подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя 5. Поскольку на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 5 напряжение в это время меньше, чем на инветрирующем входе, напряжение на его выходе будет близко к нулю, и стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности будет находиться в запертом состоянии.

Далее с помощью третьего резистивного регулятора 9 увеличивается напряжение на входе четвертого буферного усилителя 10 и, соответственно, на неинвертирующем входе дифференциального усилителя 5 до такого уровня, при котором на его выходе напряжение достигнет значения, необходимого для установления требуемой величины начального тока стабилизируемого транзистора при нормальной температуре.

После этого на стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности подается сигнал возбуждения и после некоторого прогрева (желательно до температуры транзистора (60-80)°С), когда начальный ток стабилизируемого полевого транзистора увеличится по сравнению с установленным значением, с помощью третьего резистивного регулятора 6 устанавливается ранее выставленное значение начального тока стабилизируемого транзистора. При этом автоматически устанавливается необходимый температурный коэффициент выходного напряжения устройства стабилизации, соответствующий выбранной величине начального тока стабилизируемого полевого транзистора.

Для расширения функциональных возможностей устройства температурной стабилизации, потенциометры второго 6 и третьего 9 резистивных регуляторов могут быть выполнены в виде цифровых потенциометров. В этом случае появляется возможность программной установки оптимальных значений начального тока стабилизируемого полевого транзистора усилительного каскада для различных видов усиливаемого сигнала.

В качестве датчика температуры целесообразно использовать специальные интегральные микросхемы с нормированной линейной зависимостью выходного напряжения от температуры, что обеспечивает стабильные характеристики устройства и их повторяемость в серийном производстве.

Примером могут служить широко распространенные датчики температуры К1019ЕМ1 отечественного производства или LM235 фирмы National semiconductor, имеющие калиброванный температурный коэффициент выходного напряжения 10 мВ/°С.

Буферные усилители и дифференциальный усилитель могут быть выполнены на основе интегральных операционных усилителей. При этом желательно использовать интегральные операционные усилители типа Rail-to rail, предназначенные для работы при однополярном питании, например микросхемы 1401УД2 отечественного производства или AD820, AD822, AD824 фирмы Analog Devices.

В качестве источника опорного напряжения может использоваться интегральный стабилизатор напряжения, например L78L08C фирмы STMicroelectronics.

1. Устройство температурной стабилизации начального тока мощного высокочастотного полевого транзистора, содержащее датчик температуры с положительным температурным коэффициентом и выходным напряжением, пропорциональным температуре, имеющий тепловой контакт с корпусом стабилизируемого высокочастотного полевого транзистора усилителя мощности, источник опорного напряжения, первый буферный усилитель, вход которого соединен с выходом датчика температуры, первый резистивный регулятор, один из крайних выводов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а другой крайний вывод заземлен, а также дифференциальный усилитель, отличающееся тем, что введены второй и третий резистивные регуляторы, второй, третий и четвертый буферные усилители, причем средний вывод первого резистивного регулятора соединен с входом второго буферного усилителя, выход которого соединен с одним из крайних выводов второго резистивного регулятора, другой крайний вывод которого соединен с выходом первого буферного усилителя, а средний вывод второго резистивного регулятора через третий буферный усилитель соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, выход которого является выходом устройства, при этом неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с выходом четвертого буферного усилителя, вход которого соединен со средним выводом третьего резистивного регулятора, один из крайних выводов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а другой его крайний вывод заземлен.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве датчика температуры использованы специализированные интегральные микросхемы с нормированной линейной зависимостью выходного напряжения от температуры.

3.. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый, второй и третий резистивный регуляторы выполнены в виде потенциометров.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резистивные регуляторы выполнены в виде последовательного соединения первого резистора, потенциометра и второго резистора, причем первый вывод первого резистора является первым крайним выводом резистивного регулятора, второй вывод первого резистора соединен с одним из крайних выводов потенциометра, второй крайний вывод которого соединен с первым выводом второго резистора, второй вывод которого является вторым крайним выводом резистивного регулятора, средним выводом которого является средний вывод потенциометра.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резистивные регуляторы выполнены в виде цифровых потенциометров.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что буферные усилители и дифференциальный усилитель выполнены на интегральных операционных усилителях.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что буферные усилители и дифференциальный усилитель выполнены на интегральных операционных усилителях.

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