Устройство температурной стабилизации усилителя мощности на полевых транзисторах

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в линейных усилителях мощности радиопередатчиков, выполненных на мощных высокочастотных полевых транзисторах.
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 «LDMOS 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.], выполненные на основе температурного сенсора, имеющего тепловой контакт с корпусом стабилизируемого транзистора.
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 (AN1643, Motorola, WO108298A1, US6091279). При построении таких датчиков температуры используют свойство р-n перехода, заключающееся в том, что падение напряжения на нем линейно зависит от его температуры. Температурный коэффициент напряжения р-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 [T. 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; С.Blair «Biasing LDMOS FETs for Linear Operation». APPLIED&WIRELESS. Vol.12, №1, January 2000. Fig. 3; US6215358, Fig. 3].
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является устройство температурной стабилизации, представленное в патенте US 6215358 H03F 3/04, принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1 - источник опорного напряжения;
2 - температурный сенсор;
3 - буферный усилитель;
4 - операционный усилитель;
R1 - R3 - первый - третий резисторы;
R4 - переменный резистор.
Устройство-прототип содержит источник опорного напряжения 1 и температурный сенсор 2, выход которого подключен к входу буферного усилителя 3, выполненного на основе операционного усилителя. Выход источника опорного напряжения 1 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с отрицательной обратной связью 4. Выход буферного усилителя 3 соединен с его инвертирующим входом и через последовательно соединенные первый R1 и второй R2 резисторы - с выходом операционного усилителя 4, инвертирующий вход которого подключен к точке соединения первого R1 и второго R2 резисторов. Кроме того, выход операционного усилителя 4 подключен к регулируемому делителю напряжения, состоящему из постоянного резистора R3 (верхнее плечо) и переменного резистора R4 (нижнее плечо), вывод которого соединен с общим проводом. Средняя точка регулируемого делителя является выходом устройства температурной стабилизации.
Работает устройство-прототип следующим образом.
Температурный сенсор 2 устанавливается в непосредственной близости от стабилизируемого полевого транзистора (на фиг. 1 не показан) и генерирует соответствующее температуре этого транзистора напряжение, которое через буферный усилитель 3 и первый резистор R1 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 4. На неинвертирующий вход указанного операционного усилителя подается напряжение с выхода источника опорного напряжения 1. С выхода операционного усилителя 4 напряжение через третий резистор R3 регулируемого делителя подается на выход устройства температурной стабилизации. С помощью переменного резистора R4 устанавливается требуемое напряжение смещения стабилизируемого полевого транзистора и температурный коэффициент его изменения.
Недостатком устройства-прототипа является потеря стабильности работы операционного усилителя и возникновение автоколебательного процесса при емкостной нагрузке устройства температурной стабилизации. Эти явления возникают вследствие отставания фазы выходного сигнала в цепи обратной связи этого усилителя, что может приводить к нестабильности при емкостной нагрузке устройства температурной стабилизации, которой является входная цепь стабилизируемого полевого транзистора. Это может приводить к перегрузке, перерегулированию (звону) и иногда - возбуждению.
Задача предлагаемого технического решения - повышение устойчивости предлагаемого устройства температурной стабилизации, устранение генеративного процесса при его импульсном включении и выключении.
Для решения поставленной задачи в устройство температурной стабилизации, содержащее источник опорного напряжения и температурный сенсор, выход которого соединен с неинвертируюшим входом буферного усилителя, выход которого соединен с его инвертирующим входом, а также через первый резистор - с инвертирующим входом операционного усилителя и первым выводом второго резистора, при этом выход источника опорного напряжения подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя, выход которого подключен к регулируемому делителю напряжения, состоящему из последовательно соединенных третьего постоянного резистора - верхнее плечо, и переменного резистора - нижнее плечо, точка соединения резисторов делителя является средней точкой регулируемого делителя и выходом устройства температурной стабилизации, согласно полезной модели, веден конденсатор, включенный между инвертирующим входом операционного усилителя и его выходом, кроме того, второй вывод второго резистора соединен с выходом устройства.
На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - источник опорного напряжения;
2 - температурный сенсор;
3 - буферный усилитель;
4 - операционный усилитель;
R1 - R3 - первый - третий резисторы;
R4 - переменный резистор;
С1 - конденсатор.
Предлагаемое устройство содержит источник опорного напряжения 1, выход которого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя с отрицательной обратной связью 4; температурный сенсор 2, выход которого подключен к входу буферного усилителя 3, выполненного на основе операционного усилителя, включенного по схеме повторителя напряжения. Выход буферного усилителя 3 соединен с его инвертирующим входом и через первый резистор R1 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 4, через конденсатор С1 - с выходом операционного усилителя 4, который подсоединен к регулируемому делителю напряжения, состоящему из последовательно соединенных третьего постоянного резистора R3 и переменного резистора R4, другой вывод которого соединен с общим проводом. При этом точка соединения третьего постоянного резистора R3 и переменного резистора R4 является средней точкой регулируемого делителя и выходом устройства температурной стабилизации. Кроме того, между инверсным входом операционного усилителя 4 и средней точкой регулируемого делителя включен второй резистор R2.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Температурный сенсор 2 устанавливается в непосредственной близости от стабилизируемого полевого транзистора (на фиг. 2 не показан) и генерирует соответствующее температуре этого транзистора напряжение, которое через буферный усилитель 3 и первый резистор R1 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 4. На неинвертирующий вход указанного операционного усилителя подается напряжение с выхода источника опорного напряжения 1. С выхода операционного усилителя 4 напряжение через третий резистор R3 регулируемого делителя подается на выход устройства температурной стабилизации. С помощью переменного резистора R4 устанавливается требуемое напряжение смещения стабилизируемого полевого транзистора и температурный коэффициент его изменения. Конденсатор С1 создает дополнительную цепь внутриполосной отрицательной обратной связи в операционном усилителе 4, которая образована резисторами R2 и R3, и обеспечивает требуемую для устойчивой работы амплитудно-частотную характеристику операционного усилителя 4.
Для подтверждения работоспособности предлагаемого устройства приведены формы выходного напряжения устройства-прототипа (фиг.3), выполненного по схеме, изображенной на фиг. 1, и предлагаемого устройства (фиг.4), выполненного по схеме, представленной на фиг. 2 при импульсной работе источника опорного напряжения.
Представленные результаты показывают, что дополнительная цепь внутриполосной отрицательной обратной связи в операционном усилителе 4 позволяет устранить неустойчивость устройства температурной стабилизации при его импульсном включении и выключении.
Таким образом, достигается повышение устойчивости предлагаемого устройства температурной стабилизации, устранение генеративного процесса при его импульсном включении и выключении.