СХЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕВЫМ ТРАНЗИСТОРОМ С ЗАПИРАЮЩИМ СЛОЕМ
CIRCUIT DEVICE FOR CONTROL OF FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH BARRIER LAYER

Изобретение относится к схемному устройству для управления полевым транзистором с запирающим слоем согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, способу управления полевым транзистором с запирающим слоем согласно родовому понятию пункта 7 формулы изобретения, а также усилителю для усиления электрического сигнала согласно родовому понятию пункта 9 формулы изобретения.
Полевые транзисторы с запирающим слоем (JFET) известны из уровня техники. Полевые транзисторы являются полупроводниковыми переключателями, которые могут управляться электрическим полем без потребления мощности. В полевых транзисторах с запирающим слоем управляющий электрод (затвор) посредством pn- или np-перехода отделен от канала между контактом истока и контактом стока. В полевых транзисторах с запирающим слоем протекает большой ток стока, если между затвором и истоком приложено управляющее напряжение 0 вольт. Они обозначаются тогда, как транзисторы с самопроводимостью (со встроенным каналом [с обеднением канала]).
Полевые транзисторы с запирающим слоем имеют по существу квадратичную управляющую характеристику. Для периодического режима переключения, например для генерации ВЧ мощности в классе С, это является относительно неблагоприятным, так как при синусоидальном напряжении затвора лишь в течение относительно малого фазового угла протекает значительный ток истока. Это приводит к повышенной мощности потерь и плохому использованию способности переключения тока транзистора.
До настоящего времени является общепринятым для управления полевыми транзисторами с запирающим слоем применять резонансные схемы, известные для MOSFET-транзисторов (МОП-транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник). В частности, используются индуктивности, чтобы повысить эффективное напряжение затвор-исток. Эта возможность для повышения угла отсечки тока ограничена в общем случае допустимой амплитудой напряжения на контакте затвора.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание улучшенного схемного устройства для управления полевым транзистором с запирающим слоем. Эта задача решается схемным устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является создание улучшенного способа для управления полевым транзистором с запирающим слоем. Эта задача решается способом с признаками пункта 7 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является создание улучшенного усилителя для усиления электрического сигнала. Эта задача решается усилителем с признаками пункта 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Соответствующее изобретению схемное устройство для управления полевым транзистором с запирающим слоем, который имеет вывод затвора, содержит возбудитель, который выполнен с возможностью генерации сигнала напряжения с установленной частотой. Схемное устройство содержит, кроме того, четырехполюсник, который имеет связанную с возбудителем входную клемму и связанную с выводом затвора выходную клемму и обладает передаточной функцией, которая имеет полюс при нечетном кратном значении частоты. Предпочтительным образом, это схемное устройство обуславливает повышение крутизны фронтов управляющего сигнала. За счет этого время перехода между фазой запирания и проводимости полевого транзистора сокращается, благодаря чему снижается мощность потерь полевого транзистора.
Целесообразно, что сигнал напряжения является синусоидальным. Предпочтительным образом схемное устройство обуславливает тогда изменение сигнала напряжения в направлении прямоугольной характеристики.
Предпочтительным образом сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора. При этом предпочтительным образом используется то, что промежуток между контактом затвора и контактом истока полевого транзистора с запирающим слоем ведет себя подобно диоду типа стабилитрона. Такой диод ограничивает управляющий сигнал, за счет чего можно избегать недопустимо высоких токов и возбуждать резонансное колебание четырехполюсника.
В одной форме выполнения схемного устройства четырехполюсник содержит параллельный колебательный контур. Предпочтительным образом такой параллельный колебательный контур может легко настраиваться.
В предпочтительном дальнейшем развитии схемного устройства четырехполюсник имеет множество последовательно включенных параллельных колебательных контуров. Предпочтительным образом тогда могут возбуждаться гармоники высших порядков, из-за чего подаваемый на полевой транзистор управляющий сигнал может формироваться в более прямоугольной форме.
В другой форме выполнения схемного устройства четырехполюсник имеет объемный [полый] резонатор. Предпочтительным образом такой объемный резонатор особенно хорошо подходит для высоких частот.
Соответствующий изобретению способ для управления полевым транзистором с запирающим слоем, который имеет вывод затвора, отличается тем, что вывод затвора соединен с выходной клеммой четырехполюсника, входная клемма четырехполюсника нагружается сигналом напряжения с установленной частотой, и четырехполюсник имеет передаточную функцию, которая имеет полюс при нечетном кратном значении частоты. Предпочтительным образом этот способ пригоден для того, чтобы управлять полевым транзистором с запирающим слоем сигналом с повышенной крутизной фронтов. За счет этого сокращается время перехода между фазой проводимости и запирания полевого транзистора, благодаря чему снижается мощность потерь полевого транзистора.
В предпочтительном выполнении способа сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора. Предпочтительным образом сигнал напряжения возбуждает тогда резонансное колебание четырехполюсника, которое накладывается на управляющий сигнал таким образом, что возникает более прямоугольный сигнал. При этом собственный диод, образованный затвором и истоком полевого транзистора, ограничивает управляющий сигнал, не вызывая недопустимо высоких токов. За счет возникающего более прямоугольного управляющего сигнала сокращается время перехода между фазой проводимости и запирания полевого транзистора, благодаря чему снижается его мощность потерь.
Соответствующий изобретению усилитель для усиления электрического сигнала имеет схемное устройство вышеописанного типа. Предпочтительным образом этот усилитель имеет пониженную мощность потерь.
Предпочтительно усилитель является усилителем класса F. Предпочтительно такие усилители обеспечивают высокий кпд и хорошие свойства усиления.
Изобретение поясняется далее более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - схематичное представление усилительной схемы;
фиг.2 - две характеристики полевого транзистора с запирающим слоем;
фиг.3 - схематичное представление Фурье-синтеза;
фиг.4 - схематичное представление схемы управления согласно первой форме выполнения;
фиг.5 - схематичное представление схемы управления согласно второй форме выполнения;
фиг.6 - представление электрических характеристик полевого транзистора с запирающим слоем, управляемого с помощью соответствующей изобретению схемы управления.
Фиг.1 показывает схематичное представление усилительной схемы 100. Усилительная схема 100 представляет собой схему с общим истоком. Усилительная схема 100 может представлять собой усилитель класса F. Усилительная схема 100 может применяться для усиления мощности высокочастотных сигналов.
Усилительная схема 100 имеет полевой транзистор 110 с запирающим слоем (JFET). В представленном примере полевой транзистор 110 с запирающим слоем является полевым транзистором с n-каналом. Однако изобретение может быть распространено на полевые транзисторы с р-каналом.
Полевой транзистор 110 имеет управляющий контакт (контакт затвора) 120, контакт истока 130 и контакт стока 140. Контакт истока 130 соединен с контактом массы 150. Между контактом затвора 120 и контактом истока 130 или контактом массы 150 может прикладываться управляющее напряжение для управления полевым транзистором 110. Контакт стока 140 соединен с контактом 180 питающего напряжения. Между контактом 180 питающего напряжения и контактом массы 150 может прикладываться питающее напряжение для работы полевого транзистора 110 с запирающим слоем. Между контактом 180 питающего напряжения и контактом стока 140 полевого транзистора 110 может быть введен не показанный на фиг.1 дроссель или подобный конструктивный элемент для ограничения тока. Контакт стока 140 через выходную схему 160 и нагрузку 170 соединен с контактом массы 150.
Между контактом стока 140 и контактом массы 150 может измеряться выходное напряжение 142. Если между контактом затвора 120 и контактом массы 150 приложен управляющий сигнал с синусоидальной характеристикой напряжения, то получается выходное напряжение 142, которое только примерно в течение каждой второй полуволны управляющего сигнала отличается от нуля. В течение остального времени промежуток между истоком и стоком полевого транзистора 110 находится в проводящем состоянии, так что не создается выходного напряжения 142.
Выходная схема 160 характеризует усилительную схему 100. В показанном примере усилителя класса F выходная схема 160 формирует ток 141 стока, протекающий на контакте стока 140 таким образом, что он имеет отличающуюся от нуля форму половины синусоиды только тогда, когда выходное напряжение 142 примерно равно нулю. В течение остального времени промежуток между истоком и стоком полевого транзистора 110 является высокоомным, и ток 141 стока не протекает.
За счет этой временной характеристики выходного напряжения 142 и тока 141 стока, только в течение короткой фазы переключения как выходное напряжение 142, так и ток 141 стока больше нуля. Только в течение этих фаз переключения возникает мощность потерь полевого транзистора 110. Чтобы дополнительно снизить мощность потерь, желательным является по возможности более быстрое переключение полевого транзистора 110 между открытым и запертым состоянием. Для этого характеристика выходного напряжения 142 в области, где выходное напряжение 142 отлично от нуля, должна иметь крутые фронты, чтобы полевой транзистор 110 по возможности мгновенно переключался из проводящего состояния в запертое и из запертого состояния в проводящее.
Фиг.2 показывает схематичное представление двух характеристик полевого транзистора 110 с запирающим слоем. При этом на горизонтальной оси нанесено напряжение 121 затвор-исток, приложенное между контактом затвора 120 и контактом истока 130. Верхний график на фиг.2 показывает ток 141 стока, протекающий в контакт стока 140, в зависимости от напряжения 121 затвор-исток. Нижний график на фиг.2 показывает ток 122 затвора, протекающий в контакт затвора 120, в зависимости от напряжения 121 затвор-исток.
На верхнем графике на фиг.2 можно видеть, что полевой транзистор 110 с запирающим слоем имеет приблизительно квадратичную характеристику. Это означает, что ток 141 стока при уменьшающемся отрицательном напряжении 121 затвор-исток растет приблизительно квадратично. Эта квадратичная характеристика имеет недостаток, заключающийся в том, что при синусоидальном сигнале напряжения на контакте затвора 120 только в течение относительно малого фазового угла протекает значительный ток 141 стока. Переключение полевого транзистора 110 с запирающим слоем из запертого в проводящее состояние происходит, таким образом, относительно медленно. Чтобы достичь более быстрого переключения полевого транзистора 110, было бы благоприятным контакт затвора 120 нагружать напряжением 121 затвор-исток, которое проходит с большей крутизной, чем в случае синусоидальной формы.
В соответствии с изобретением для этого может быть использовано показанное на нижнем графике на фиг.2 свойство диода затвора полевого транзистора 110. Нижний график фиг.2 показывает, что ток 122 затвора, протекающий в контакт затвора 120, в широкой области напряжения 121 затвор-исток примерно равен нулю. Только при прямом напряжении 123 пробоя и при обратном напряжении 124 пробоя происходит пробой диода затвора, что приводит к сильному нарастанию тока 122 затвора. Это поведение диода затвора подобно поведению стабилитрона. Если область 190 управления напряжения 121 затвор-исток между контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 выбирается так, что максимальные значения напряжения 121 затвор-исток достигают или несколько превышают напряжения 123, 124 пробоя, то в точках максимума напряжения 121 затвор-исток возникает кратковременный, отличающийся от нуля ток 122 затвора, не приводящий к повреждению полевого транзистора 110. Этот отличающийся от нуля ток 122 затвора может использоваться, чтобы возбудить резонансное колебание последовательного резонансного звена, как поясняется далее.
Фиг.3 показывает схематичное представление Фурье-синтеза 200 для формирования примерно прямоугольного колебания из двух синусоидальных сигналов. На горизонтальной оси на фиг.3 нанесено время 201. На вертикальной оси графика на фиг.3 нанесена амплитуда 202. Ссылочной позицией 210 обозначен синусоидальный сигнал 210 основной волны с первой частотой. Сигнал 220 верхней гармоники имеет меньшую амплитуду, чем сигнал 210 основной волны, и вторую частоту. При этом вторая частота является нечетным кратным первой частоты. В показанном на фиг.3 примере вторая частота составляет трехкратное значение первой частоты. Ссылочной позицией 213 обозначен полный сигнал 230, получаемый суммированием сигнала 210 основной волны и сигнала 220 верхней гармоники. Можно видеть, что полный сигнал 230 имеет периодичность сигнала 210 основной волны, однако сформирован более прямоугольным по сравнению с синусоидальным сигналом. Путем суммирования верхних гармоник с нечетным кратным частоты основной волны (нечетных гармоник) синусоидальный сигнал может быть преобразован в приблизительно прямоугольную форму.
На фиг.4 показана первая управляющая схема 300 для управления полевым транзистором 110 с запирающим слоем. Части схемы фиг.1 со стороны выхода для наглядности не представлены. Первая управляющая схема 300 содержит возбудитель 320, который выполнен с возможностью формирования синусоидального управляющего сигнала относительно контакта массы 150. Выходной сигнал возбудителя 320 может при этом уже иметь соответствующее напряжение смещения, то есть быть смещенным относительно нуля. Кроме того, первая управляющая схема 300 имеет первый четырехполюсник 310, который выполнен как колебательный контур. Первая входная клемма 313 четырехполюсника 310 соединена с первым выходом возбудителя 320. Вторая входная клемма 315 колебательного контура 310 соединена со вторым выходом возбудителя. Первая выходная клемма 314 четырехполюсника 310 соединена с контактом затвора 120. Вторая выходная клемма 316 колебательного контура 310 соединена с контактом массы 150. Четырехполюсник 310 размещен, таким образом, между возбудителем 320 и контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем.
Между первой входной клеммой 313 и первой выходной клеммой 314 четырехполюсник 310 содержит конденсатор 311 и включенную параллельно конденсатору 311 катушку 312, которые образуют параллельный LC-контур. Колебательный контур при этом рассчитан таким образом, что он имеет полюс при нечетном кратном значении частоты синусоидального сигнала, выдаваемого возбудителем 320.
Фиг.5 показывает вторую управляющую схему 400 согласно альтернативной форме выполнения. Во второй управляющей схеме 400, по сравнению с первой управляющей схемой 300, возбудитель 320 заменен возбудителем 420, который также выполнен с возможностью формирования синусоидального сигнала напряжения. Первый четырехполюсник 310 первой управляющей схемы 300 во второй управляющей схеме 400 заменен вторым четырехполюсником 410. Второй четырехполюсник 410 имеет третью входную клемму 413, которая соединена с первым выходом возбудителя 420. Четвертая входная клемма 415 четырехполюсника 410 соединена со вторым выходом возбудителя 420. Кроме того, второй четырехполюсник 410 имеет третью выходную клемму 414, которая соединена с контактом затвора 120 полевого транзистора 110 с запирающим слоем. Четвертая выходная клемма 416 второго четырехполюсника 410 соединена с контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем и с контактом массы 150. Второй четырехполюсник 410 размещен, таким образом, между возбудителем 420 и контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем.
Второй четырехполюсник 410 содержит размещенный между третьей входной клеммой 413 и третьей выходной клеммой 414 четвертьволновый (λ/4) резонатор. λ/4-резонатор может быть, например, объемным резонатором и имеет полюс при нечетном кратном значении частоты синусоидального сигнала, выдаваемого вторым возбудителем 420.
Фиг.6 показывает схематичный график для пояснения способа функционирования управляющих схем 300, 400 по фиг.4 и 5. По указывающей влево горизонтальной оси нанесено отрицательное значение напряжения 521 затвор-исток, приложенного между контактом затвора 120 и контактом истока 130 или контактом массы 150. В левом верхнем квадранте графика на фиг.6 еще раз представлена уже известная из фиг.2 квадратичная зависимость тока 141 стока от напряжения 521 затвор-исток. На указывающей вниз вертикальной оси представлено время. Указывающая вправо горизонтальная ось показывает также время 510. Соответствующие моменты времени 511 на обеих осях для лучшей ориентации связаны друг с другом четвертями окружностей.
Вдоль указывающей вниз оси времени графика на фиг.6 нанесен немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550, который выдается посредством возбудителей 320, 420 управляющих схем 300, 400. Можно видеть, что немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550 полностью использует управляющую область 190 напряжения 521 затвор-исток, максимальные значения немодифицированного синусоидального управляющего сигнала 550 достигают или несколько превышают обратное напряжение 124 пробоя и прямое напряжение 123 пробоя. За счет этого диод стока полевого транзистора 110 к моментам времени, в которые немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550 достигает напряжений 123, 124 пробоя, становится кратковременно проводящим, как пояснялось со ссылкой на фиг.2.
Соответственно возникающий короткий поток тока возбуждает резонансное колебание колебательного контура в первом четырехполюснике 310 или в λ/4-резонаторе во втором четырехполюснике 410. Это возбужденное колебание имеет частоту, равную нечетному кратному частоты немодифицированного управляющего сигнала 550. Колебательное напряжение возбужденного колебания показано на фиг.6 кривой 552. В показанном на фиг.6 примере колебание имеет частоту, равную трехкратному значению частоты немодифицированного управляющего сигнала 550. Ссылочной позицией 551 обозначен модифицированный управляющий сигнал, полученный суммированием немодифицированного управляющего сигнала 550 и колебательного напряжения четырехполюсника 310, 410. Можно видеть, что модифицированный управляющий сигнал 551 по сравнению с немодифицированным управляющим сигналом 550 имеет более прямоугольную форму и более крутые фронты. Это имеет преимущество, состоящее в том, что управляемый модифицированным управляющим сигналом 551 полевой транзистор 110 с запирающим слоем быстрее переключается между запертым состояние и открытым состоянием.
Это показано в правом верхнем квадранте графика на фиг.6. Там представлен зависимый от времени ток 141 стока. Немодифицированный ток 540 стока получается при управлении полевого транзистора 110 с запирающим слоем с помощью немодифицированного управляющего сигнала 550. Как пояснено выше со ссылкой на фиг.1, выходная схема 160 усилительной схемы обуславливает то, что немодифицированный ток 540 стока только в течение каждой второй полуволны немодифицированного управляющего сигнала 550 отличен от нуля. В областях, в которых немодифицированный ток 540 стока отличен от нуля, он имеет приблизительно синусоидальную характеристику.
Кривая 541 воспроизводит временную характеристику модифицированного тока стока, которая возникает, когда полевой транзистор 110 с запирающим слоем управляется модифицированным управляющим сигналом 551. Можно видеть, что модифицированный ток стока имеет более прямоугольную характеристику с более крутыми фронтами. Кроме того, временные области, в которых модифицированный ток 540 стока отличен он нуля, расширяются по сравнению с временными областями, в которых немодифицированный ток 540 стока отличен от нуля. Переключение полевого транзистора 110 с запирающим слоем между фазой проводимости и фазой запирания осуществляется при управлении полевого транзистора 110 с запирающим слоем модифицированным управляющим сигналом 551 быстрее, чем при управлении немодифицированным управляющим сигналом 550. За счет этого снижается мощность потерь полевого транзистора 110 с запирающим слоем.
В дальнейшем развитии первой управляющей схемы 300 первый четырехполюсник 310 может иметь не только один параллельный колебательный контур, но и множество последовательно включенных параллельных колебательных контуров. При этом отдельные параллельные колебательные контура должны иметь резонансы на различных гармонических частотах синусоидального сигнала, выдаваемого возбудителем 320. Это приводит к тому, что при Фурье-синтезе модифицированного управляющего сигнала 551 также получаются гармоники более высокого порядка, что приводит к еще более прямоугольной характеристике сигнала.