Устройство температурной стабилизации усилителя мощности на LDMOS транзисторах

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в линейных усилителях мощности радиопередатчиков, выполненных на мощных высокочастотных LDMOS транзисторах.
Параметры усилителя мощности, в том числе уровень нелинейных искажений, в значительной мере определяются режимом работы высокочастотных транзисторов, в частности их током покоя стока. В качестве примера на фиг. 1 приведен график зависимости уровня комбинационных колебаний третьего порядка (IMD3) от тока покоя стока для транзистора MRF6VP2600H фирмы Freescale Semiconductor. При изменении тока покоя стока данного транзистора меняется и уровень комбинационных колебаний; в свою очередь, стабилизация тока покоя позволяет оптимизировать работу полевого транзистора по уровню комбинационных колебаний. В то же время при неизменном напряжении смещения ток покоя стока увеличивается с повышением температуры (фиг. 2). Для его стабилизации необходимо соответствующим образом изменять напряжение смещения (фиг. 3).
На фигурах 1 - 3 представлены следующие графики:
фиг. 1 - зависимость комбинационных колебаний третьего порядка от тока покоя; фиг. 2 - изменение тока покоя стока стабилизируемого полевого транзистора, фиг. 3 - зависимость напряжения смещения при повышении температуры при фиксированном токе покоя от температуры.
На графике (фиг. 3) видно, как изменяется напряжение смещения в зависимости от температуры при постоянной величине тока покоя стока. Примером служат полевые транзисторы фирм Freescale Semiconductor и NXP Semiconductor. Из приведенных зависимостей видно, что при разных токах покоя стока напряжение смещения в диапазоне температур меняется линейно.
Известно достаточно много разнообразных схем смещения. Их температурные характеристики в значительной мере определяются используемыми датчиками температуры. В качестве таких датчиков применяются полупроводниковые диоды или транзисторы, в том числе включенный по схеме умножителя напряжения база-эмиттер биполярный транзистор (VbeMultiplier), как это предлагается в современных руководствах фирм Freescale Semiconductor и NXP Semiconductor [Using the BLF574 in the 88 MHz to 108 MHz FM band. NXP Semiconductors application note AN10714, 2010; Using the BLF578 in the 88 MHz to 108 MHz FM band. NXP Semiconductors application note AN10800, 2010.], а также интегральные температурные сенсоры [патент US 6215358 H03F 3/04]. Располагаются датчики температуры в непосредственной близости от стабилизируемого транзистора.
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 работе [Аралов В.Т., Плотников Е.В. «Схемы смещения полевых транзисторов в усилителях мощности современных радиопередатчиков». Научно- технический журнал «Теория и техника радиосвязи» №4, 2021], принятое за прототип.
Схема устройства-прототипа представлена на фиг. 4, где обозначено:
R1, R5 - R8 - резисторы;
R2 - R4 - потенциометры;
У1 - У5 - с первого по пятый операционные усилители;
VD1 - интегральный датчик температуры;
+Еп - источник опорного напряжения;
Е - выход устройства стабилизации.
Устройство-прототип содержит первый операционный усилитель У1, выход которого соединен с его инвертирующим входом и через третий потенциометр R3 подключен к выходу второго операционного усилителя У2 и к его инвертирующему входу. Выход третьего операционного усилителя У3 соединен с его инвертирующим входом и через пятый резистор R5 - с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя У5, выход которого является выходом устройства и через восьмой резистор R8 соединен с его неинвертирующим входом. Кроме того, выход четвертого операционного усилителя У4 соединен с его инвертирующим входом и через шестой резистор R6 - с инвертирующим входом пятого операционного усилителя У5, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор R7 подключен к общему проводу. Первые выводы первого R1 резистора, второго R2 и четвертого R4 потенциометров соединены с источником опорного напряжения. Второй вывод первого резистора R1 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя У2 и через интегральный датчик температуры VD1 - с общим проводом. Вторые выводы второго R2 и четвертого R4 потенциометров соединены с общим проводом. Подвижный вывод (движок) второго потенциометра R2 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя У1. Подвижный вывод четвертого потенциометра R4 соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя У3. Подвижный вывод третьего потенциометра R3 соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя У4.
В представленной схеме используется интегральный датчик температуры VD1, который позволяет достичь более стабильных температурных характеристик, что обусловлено их малым разбросом в серийном производстве. Интегральные датчики имеют нормированную линейную зависимость выходного напряжения от температуры - например, датчик температуры LM335 фирмы National Semiconductor, имеет калиброванный температурный коэффициент выходного напряжения К=10 мВ/°С. Кроме этого, отличием схемы на фиг. 4 является то, что она может быть использована для конкретного LDMOS-транзистора благодаря возможности автоматически установить температурный коэффициент стабилизации, соответствующий выбранной величине тока покоя данного полевого транзистора. Устройство позволяет независимо регулировать как напряжение смещения стабилизируемого транзистора, определяющее его ток покоя стока, так и температурную зависимость этого напряжения.
Работает устройство-прототип следующим образом.
n
Регулировка устройства производится в нормальных климатических условиях. Перед подачей на устройство напряжения питания Е подвижные выводы (движки) потенциометров R2 и R3 устанавливаются в среднее положение, движок потенциометра R4 устанавливается в положение, обеспечивающее минимальный уровень напряжения на входе буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе У3, и соответственно на неинвертирующем входе операционного усилителя У5.
При включении устройства (без подачи сигнала возбуждения на стабилизируемый усилитель мощности) интегральный датчик температуры VD1 генерирует соответствующее температуре выходное напряжение, которое через буферный усилитель, выполненный на операционном усилителе У2 подается на один из крайних выводов потенциометра R3. Равное по величине напряжение устанавливается на другом крайнем выводе потенциометра R3 с помощью потенциометра R2. При этом такое же напряжение оказывается и на среднем выводе потенциометра R3, и через буферный усилитель, выполненный на операционном усилителе У4 оно подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя, выполненного на операционном усилителе У5. Поскольку на неинвертирующем входе этого дифференциального усилителя напряжение в это время меньше, чем на инвертирующем входе, то напряжение на его выходе будет близко к нулю, и стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности (на фиг. 4 не показан) будет находиться в запертом состоянии.
Далее с помощью потенциометра R4 увеличивается напряжение на входе буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе У3 и, соответственно, на неинвертирующем входе дифференциального усилителя, выполненного на операционном усилителе У5 до такого уровня, при котором на его выходе напряжение достигнет значения, необходимого для установления требуемой величины начального тока стока стабилизируемого транзистора (на фиг. 4 не показан) 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 потенциометра R2 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.
Недостатком устройства-прототипа является потеря стабильности работы операционного усилителя У5, на котором выполнен дифференциальный усилитель, и возникновение автоколебательного процесса при емкостной нагрузке устройства температурной стабилизации. Эти явления возникают вследствие отставания фазы выходного сигнала в цепи обратной связи операционного усилителя У5, что может приводить к нестабильности при емкостной нагрузке устройства, которой является входная цепь стабилизируемого полевого транзистора. Это может приводить к перегрузке, перерегулированию (звону) или возбуждению.
Задача предлагаемого технического решения - повышение устойчивости предлагаемого устройства температурной стабилизации за счет реализации внутренней цепи отрицательной обратной связи.
Для решения поставленной задачи в устройство температурной стабилизации усилителя мощности на LDMOS транзисторах, содержащее первый операционный усилитель, выход которого соединен с его инвертирующим входом и через третий потенциометр подключен к выходу второго операционного усилителя и к его инвертирующему входу; выход третьего операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом и через пятый резистор - с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя, выход которого через восьмой резистор соединен с его неинвертирующим входом, кроме того, выход четвертого операционного усилителя соединен с его инвертирующим входом и через шестой резистор - с инвертирующим входом пятого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор подключен к общему проводу, при этом первые выводы первого резистора, второго и четвертого потенциометров соединены с источником опорного напряжения; второй вывод первого резистора соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя и через интегральный датчик температуры - с общим проводом; вторые выводы второго и четвертого потенциометров соединены с общим проводом; подвижный вывод (движок) второго потенциометра соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, подвижный вывод четвертого потенциометра соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя, подвижный вывод третьего потенциометра соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя, согласно полезной модели, введены конденсатор и девятый резистор, причем конденсатор подключен параллельно восьмому резистору, а девятый резистор включен между выходом пятого операционного усилителя и выходным выводом устройства.
Схема предлагаемого устройства температурной стабилизации представлена на фиг. 5, где обозначен:
R1, R5-R9 - резисторы;
R2-R4 - потенциометры;
У1-У5 - операционные усилители;
VD1 - интегральный датчик температуры;
+Еп - источник опорного напряжения;
Е - выход устройства стабилизации.
Предлагаемое устройство содержит первый операционный усилитель У1, выход которого соединен с его инвертирующим входом и через третий потенциометр R3 подключен к выходу второго операционного усилителя У2 и к его инвертирующему входу. Выход третьего операционного усилителя У3 соединен с его инвертирующим входом и через пятый резистор R5 - с неинвертирующим входом пятого операционного усилителя У5, выход которого через восьмой резистор R8 соединен с его неинвертирующим входом и через девятый резистор R9 подсоединен к выходному выводу устройства. При этом параллельно восьмому резистору R8 включен конденсатор С1.
Кроме того, выход четвертого операционного усилителя У4 соединен с его инвертирующим входом и через шестой резистор R6 - с инвертирующим входом пятого операционного усилителя У5, неинвертирующий вход которого через седьмой резистор R7 подключен к общему проводу. Первые выводы первого R1 резистора, второго R2 и четвертого R4 потенциометров соединены с источником опорного напряжения. Второй вывод первого резистора R1 соединен с неинвертирующим входом второго операционного усилителя У2 и через интегральный датчик температуры VD1 - с общим проводом. Вторые выводы второго R2 и четвертого R4 потенциометров соединены с общим проводом. Подвижный вывод (движок) второго потенциометра R2 соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя У1. Подвижный вывод четвертого потенциометра R4 соединен с неинвертирующим входом третьего операционного усилителя У3. Подвижный вывод третьего потенциометра R3 соединен с неинвертирующим входом четвертого операционного усилителя У4.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Перед подачей на устройство напряжения питания движки потенциометров R2 и R3 устанавливаются в среднее положение, движок потенциометра R4 устанавливается в положение, обеспечивающее минимальный уровень напряжения на входе буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе У3, и соответственно на неинвертирующем входе операционного усилителя У5.
При включении устройства (без подачи сигнала возбуждения на стабилизируемый усилитель мощности) интегральный датчик температуры VD1 генерирует соответствующее температуре выходное напряжение, которое через буферный усилитель, выполненный на операционном усилителе У2 подается на один из крайних выводов потенциометра R3. Равное по величине напряжение устанавливается на другом крайнем выводе потенциометра R3 с помощью потенциометра R2. При этом такое же напряжение оказывается и на среднем выводе потенциометра R3, и через буферный усилитель, выполненный на операционном усилителе У4 оно подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя, выполненного на операционном усилителе У5. Поскольку на неинвертирующем входе этого дифференциального усилителя напряжение в это время меньше, чем на инветрирующем входе, напряжение на его выходе будет близко к нулю, и стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности (на фиг. 5 не показан) будет находиться в запертом состоянии.
Далее с помощью потенциометра R4 увеличивается напряжение на входе буферного усилителя, выполненного на операционном усилителе У3 и, соответственно, на неинвертирующем входе дифференциального усилителя, выполненного на операционном усилителе У5 до такого уровня, при котором на его выходе напряжение достигнет значения, необходимого для установления требуемой величины начального тока стока стабилизируемого транзистора (на фиг. 5 не показан) при нормальной температуре.
После этого на стабилизируемый полевой транзистор усилителя мощности (на фиг. 5 не показан) 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 потенциометра R2 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 подтверждения работоспособности предлагаемого устройства приведены формы выходного напряжения устройства-прототипа (фиг. 6), выполненного по схеме, изображенной на фиг. 4, и предлагаемого устройства (фиг. 7), выполненного по схеме, представленной на фиг. 5 при импульсной работе источника опорного напряжения.
Представленные результаты показывают, что дополнительная цепь внутриполосной отрицательной обратной связи в операционном усилителе У5 позволяет устранить неустойчивость устройства температурной стабилизации при его импульсном включении и выключении.
Таким образом, достигается повышение устойчивости предлагаемого устройства температурной стабилизации емкостной нагрузке устройства, которой является входная цепь стабилизируемого полевого транзистора.
Для расширения функциональных возможностей устройства температурной стабилизации, потенциометры R2, R3, R4 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 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.