Исследование ключевых режимов мощных МДП-транзисторов и разработка на их основе высокоэффективных усилителей мощности ОМ колебаний

Значительный прогресс в области совершенствования техники радиопередающих устройств в последние годы был достигнут благодаря переводу передатчиков не только малой, но и средней мощности на полупроводниковую элементную базу. В настоящее время такие транзисторные радиопередатчики строятся по принципу сложения мощностей отдельных усилительных модулей, представляющих широкополосные неперестраиваемые усилители на мощных биполярных транзисторах (БТ).

При разработке таких модулей, используемых в передатчиках однополосного (ОМ) колебания, требуется решить ряд научных и технических задач, связанных с актуальной проблемой повышения энергетической эффективности усилительных модулей при малом уровне нелинейных искажений ОМ колебания. Высокие требования, предъявляемые к качеству усиления ОМ колебания, вынуждали использовать транзисторные усилительные модули, строящиеся на базе двухтактных схем, работающие в режиме класса В или АВ. Промышленный к.п.д. таких усилителей не превышал 25−40 $ при уровне нелинейных искажений порядка -32 дБ .

Существует несколько методов повышения энергетической эффективности усилителей ОМ колебаний, среди которых наибольшую известность получили метод автоматического регулирования режима (АРР) работы транзистора, метод Догерти, метод дефазирования, метод квантования ОМ колебания, метод раздельного усиления огибающей и фазомодулированной составляющей ОМ колебания. Наиболее перспективным методом повышения энергетической эффективности таких усилителей с выходной мощностью от сотен ватт до нескольких киловатт в диапазоне до 50−100 МГц признан метод раздельного усиления составляющих ОМ колебания (метод Кана) [к -5], который основан на представлении ОМ колебания как колебания с амплитудно-фазовой модуляцией.

Усилитель, построенный по методу Кана (усилитель Кана), состоит из двух параллельных каналов усиления (рис. 0.1): высокочастотного (ВЧ) и низкочастотного (НЧ). В ВЧ тракте после предельного ограничения по амплитуде производится выделение фазомоду-лированной составляющей ОМ колебания, которая затем усиливается до требуемого уровня мощности. В НЧ тракте амплитудным детектором выделяется сигнал огибающей, которая затем усиливается до необходимого уровня мощности. С целью получения высоких энергетических показателей в НЧ тракте используется широко распространенный в настоящее время метод усиления НЧ сигнала, основанный на преобразовании исходного сигнала в сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Преобразование сигнала огибающей в сигнал с ШИМ осуществляется с помощью компаратора и дополнительного автогенератора треугольного напряжения (рис. 0.1). Далее полученная последовательность прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой промодулированных по ширине усиливается высокоэффективным ключевым усилителем. Выделение сигнала огибающей ОМ колебания производится с помощью диода и фильтра нижних частот. Усиленный таким образом сигнал огибающей поступает в качестве модулирующего на оконечный усилительный каскад ВЧ тракта с коллекторной амплитудной модуляцией. Тем самым происходит восстановление ОМ колебания на более высоком уровне мощности.

Одним из главных достоинств метода раздельного усиления ОМ колебания является то, что во всех его мощных узлах можно использовать ключевой режим работы транзисторов, что позволяет улучшить энергетические и эксплуатационные показатели усилителя ОМ колебания.

В настоящее время уже разработан вариант усилителя Кана, выполненный полностью на БТ, преимущество которого по энергетичесг.

ВхоЭ.

Генератор треугольного Иап^яжени я.

ВЧ 1 т ракт.

Амплитудный ограничитель, а ПреЗВаритщный усилитель I Оконечный усилит&ль нч тр акт.

ЛЛПЛ.

Ко мпаратор Усилитель сигнала с ШИП.

1 I.

V I & I J п.

Выход.

Фильтр нижних частот.

Рис. 0. ним показателям доказано теоретически и экспериментально [6^ ?]. Однако, при разработке определился ряд недостатков таких усилителей, связанных с особенностями работы БТ. Прежде всего здесь следует отметить особенности коллекторной модуляции БТ, работающих в ключевом режиме: здесь появляется значительная паразитная фазовая модуляция, обусловленная конечным временем выхода транзистора из состояния насыщения. Этот эффект, называемый амплитудно-фазовой конверсией (АФК), существенно влияет на уровень нелинейных искажений усилителя. Для его уменьшения приходится вводить амплитудную модуляцию в предоконечные каскады и дополнительную систему автоматической стабилизации режима (АСР).Кроме того, влияние изменения температуры внешней среды, несмотря на применение ключевого режима, оказалось значительным и потребовало введения в усилитель дополнительных мер по термостабилизации его работы.

С появлением мощных высокочастотных полевых транзисторов со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (сокращенно ЩЩ-транзистор) возникла реальная возможность устранить те несовершенства усилителя Кана, которые возникают из-за отмеченных свойств БТ. В ЩЩ-транзисторах отсутствует задержка выхода из состояния насыщения и эти приборы отличаются высокой температурной стабильностью. Кроме того, известно, что МДП-транзисторы более надежны в эксплуатации, т.к. в них отсутствует эффект теплового пробоя и они в меньшей степени подвержены вторичному пробою [?]. Можно ожидать, что усилитель на ЩЩ-транзисторах в области низких и средних частот будет иметь коэффициент усиления по мощности существенно больше, чем усилитель на БТ, поскольку в первом не требуется мощности для управления транзисторами.

Первые промышленные образцы мощных кремниевых высокочастотных МДП-транзисторов КП902 и КП901 появились в СССР в 1972 году [9 ] • С тех пор промышленностью освоен выпуск более мощных МДП-транзисторов с более высокими рабочими частотами усиливаемого сигнала, таких как КП904, КП905, КП907, КП908, КП909, КП911, КП912, КП913 [?,№-?3]. Эти приборы по уровням допустимых напряжений (60−120 В), токов (16 А), рассеиваемым (75 Вт) и отдаваемым в нагрузку (100 Вт) мощностям не уступают аналогичным по назначению мощным биполярным транзисторам.

Мощные МДП-транзисторы находят широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах. Анализ указанной литературы, а также просмотр разных источников зарубежной информации показал, что ОДЩ-транзисторы весьма перспективны как ключевые приборы. Переключательные характеристики импульсных схем на этих приборах значительно лучше, чем в аналогичных устройствах на БТ. Так в [2?] показано, что мощные МДП-транзисторы открывают новые возможности в разработке быстродействующих импульсных схем с временами нарастания импульсов до I не, что о БТ достичь практически невозможно.

Следует отметить, что ряд преимуществ мощных МДП-транзисторов перед БТ уже выявлен при работе их в линейных усилителях мощности. К ним относятся малые уровни нелинейных искажений, упрощение согласующих цепей, устойчивая работа при рассогласовании нагрузки, низкий уровень шумов и др. [Я] .Но несмотря на это такие усилители имеют весьма низкую энергетическую эффективность.

К недостаткам ЩЩ-транзисторов следует отнести относительно высокие значения входной и выходной емкостей и остаточного напряжения на транзисторе в состоянии полностью открытого канала (состоянии насыщения), которые существенно ограничивают соответственно частотные и энергетические характеристики прибора в ключевом режиме.

Ключевые генераторы на МДП-транзисторах являются новым направлением в развитии полупроводниковых радиопередающих устройств, которое возникло буквально несколько лет назад. Уже созданы радиопередатчики средневолнового и коротковолнового диапазонов, выполненные полностью на мощных МДП-транзисторах и работающие в ключевом режиме ["? в которой произведен анализ процесса переключения мощного ЩЩ-транзистора в схеме выходного каскада нереверсивного регулятора и оценены динамические потери, возникающие при переключении прибора. Результаты этой работы будут использованы в дальнейшем.

Развитие теории ключевых генераторов на мощных МДП-транзисторах в настоящей работе будет опираться на основные положения теории ключевых генераторов на БТ. Однако, необходимо указать на два обстоятельства, связанных с особенностями мощных ЩЩ-транзи-сторов, которые требуют иного подхода к проектированию схем и методам их расчета.

Во-первых, входное сопротивление ЩЩ-транзистора представляет собой высокодобротную и значительную по величине емкость. Поэтому, в отличие от анализа ключевых генераторов на БТ, для которых возбуждение на входе часто идеализируется в виде источника тока, для ключевых генераторов на МДП-транзисторах целесообразно использовать возбуждение от источника напряжения и рассматривать такой способ возбуждения в теории.

Во-вторых, влияние выходной емкости здесь может оказаться о. чень значительным и определяющим, поскольку МИД-транзисторы для получения высокого к.п.д. обычно работают на более высокоомную нагрузку, чем БТ.

В соответствии с изложенным становится очевидной актуальность развития теории ключевых генераторов на мощных МДП-транзисто-рах, разработки метода их расчета и исследования различных вопросов их работы в каскадах усилителя ОМ колебания, построенного по методу Кана.

Цель настоящей работы заключается в разработке теории и создании усилительного модуля на МДП-транзисторах гекаметрового диапазона, построенного по методу Кана, имеющего высокие качественные, энергетические и весогабаритные характеристики.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

1. Разработка и. обоснование эквивалентной схемы мощного ЩП-транзистора в ключевом режиме и определение её параметров.

2. Анализ потерь мощности в ключевых генераторах на МДП-транзисторах и оценка частотных возможностей современных мощных МДП-транзисторов в ключевом режиме.

3. Разработка рекомендаций по выбору наиболее целесообразных схем оконечных каскадов для передатчиков на МДП-транзисторах и исследование их работы.

4. Исследование модуляционных характеристик ключевого генератора на ЩП-транзисторах.

5. Создание усилительного модуля на ЩП-транзисторах гекаметрового диапазона и проведение его испытания.

Для решения поставленных задач используются в основном два метода анализа. Первый метод применяется при анализе потерь мощности, определяющих энергетические показатели ключевого генератора. Он основан на расчете коммутативных потерь мощности через величину энергии, накопленной в емкостных элементах. Этот метод удобен тем, что для определения мощности, рассеиваемой в приборе, не требуется определения форм токов и напряжений, как в обычном способе определения потерь через интегральное соотношение. Некоторые авторы использовали понятия о коммутативных потерях при анализе ключевых схем [43−45] > однако, они не рассматривали вопроса о погрешности такого метода.

Вторым методом является метод численного моделирования на ЭЦВМ с использованием известного комплекса программ МТМ-4, разработанного в Киевском политехническом институте. Этот метод используется при исследовании различных вопросов, связанных с работой ключевых генераторов в усилителе Кана, схемы которых достаточно сложны и процесс их работы описывается дифференциальными уравнениями высокого порядка.

Решение поставленных задач нашло отражение в пяти главах диссертации.

В первой главе рассматривается эквивалентная схема мощного МДП-транзистора. На основе анализа существующих эквивалентных схем как для малого, так и большого сигналов, с учетом особенностей структуры мощного МДП-транзистора, предлагается простая модель этого прибора при включении с общим истоком, предназначенная для анализа работы транзистора в ключевом усилителе мощности. Она позволяет рассчитать потери, определяющие энергетические показатели генератора в ключевом режиме, а именно, потери на этапе насыщения, коммутативные потери и потери в цепи возбуждения. Разрабатывается методика измерения параметров модели, основанная на определении значений емкостей и добротностей между выводами транзистора затвор-исток, затвор-сток и сток-исток при разомкнутых или накоротко замкнутых оставшихся выводов прибора, а также на измерении коммутативных потерь мощности в диапазоне частот. Обсуддается нелинейный характер элементов эквивалентной схемы и рассматриваются температурные свойства мощных МДП-транзисторов в ключевом режиме.

Во второй главе обсуждается вопрос о потерях в ключевом генераторе, возникающих при переключении прибора, имеющего выходную емкость. При этом мощность, выделяемая в транзисторе, может быть приближенно определена через энергию, накопленную в выходной емкости к моменту коммутации. Производится оценка погрешности и определяются границы применимости данного метода. На основе этого метода рассматриваются потери мощности в различных схемах ключевых генераторов. Доказывается целесообразность использования такого метода при анализе потерь мощности во входных цепях ключевых генераторов на ЩЩ-транзисторах. По результатам проведенного анализа, на основе критерия минимума суммарных потерь, даются рекомендации по выбору оптимального числа транзисторов для мощных каскадов. Производится оценка частотных возможностей мощных ЩП-транзисторов в ключевом режиме.

В третьей главе исследуются вопросы работы оконечных ключевых каскадов радиопередатчиков на ЩП-транзисторах. Обосновывается наиболее целесообразная схема для применения в выходных каскадах и методика ее расчета. Рассматриваются нагрузочные характеристики ключевого генератора на ЩЩ-транзисторах.

В четвертой главе исследуются модуляционные характеристики ключевых генераторов на мощных ЩЩ-транзисторах. Доказывается возможность осуществления модуляции в ключевых каскадах на ЩЩ-транзисторах изменением питающего напряжения при незначительной паразитной фазовой модуляции, причем без дополнительной подмоду-ляции предварительных каскадов.

Пятая глава посвящена вопросам разработки усилительного модуля с выходной мощностью 150 Вт в диапазоне частот 0,25−1,5 МГц, построенного по методу Кана. Приводятся описание принципиальной схемы и результаты экспериментального исследования модуля, в котором наиболее полно использованы полученные в предыдущих главах теоретические результаты.

В приложениях приводятся выражение для определения к.п.д. цепи заряда нелинейной емкости в зависимости от коэффициента нелинейности и описание схемы модели ключевого генератора на МДП-транзисторах для расчета на ЭЦВМ при помощи программы МТМ-4 с результатами анализа одного варианта. Прилагается акт внедрения.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Для анализа ключевых генераторов предложена простая эквивалентная схема мощного ЩЩ-транзистора. Приведена методика измерения параметров модели прибора.

2. Для расчета энергетических показателей и оценки частотных свойств ключевых генераторов на мощных МДП-транзисторах разработан метод анализа потерь мощности, основанный на расчете коммутативных потерь. Впервые проведена оценка погрешности метода.

3. Определены максимальные частоты, на которых возможна высокоэффективная работа современных мощных МДП-транзисторов в ключевом режиме.

4. Для получения высоких энергетических показателей в широком диапазоне частот рекомендуется в выходном и предоконечном каскадах использовать двухтактную схему с переключением напряжения.

5. Для обеспечения высокого к.п.д. по первой гармонике, выходной каскад передатчика на ВДД-транзисторах должен иметь фильтровую нагрузку. Доказана возможность работы ключевого генератора на ЭДДП-транзисторах при расстроенной нагрузке без включения внешних шунтирующих диодов.

6. Доказана возможность осуществления модуляции изменением напряжения питания при малой АФК без дополнительной подмоду-ляции предварительных каскадов.

7. Доказана целесообразность использования мощных МДП-транзис-торов в усилителе ОМ колебаний, построенного по методу Кана. Основные научные положения, выводы и рекомендации, изложенные в диссертации, входят в виде составных частей хоздоговорной НИР по теме «Повышение эффективности радиопередающих устройств» и служат основой для ОКР, проводимых на предприятии п/я Р-6510, при разработке высокоэффективного усилительного модуля ОМ колебания гекаметрового диапазона.

Результаты, полученные в работе на различных этапах ее выполнения, были представлены в докладах и обсуждены на научнотехнических конференциях МЭИС (Москва, 1983;1984 гг.).

Основные результаты исследований по теме диссертации нашли отражение в четырех печатных работах.

Выводы.

Создан макет высокоэффективного усилителя однополосного сигнала СВ диапазона по методу Кана на мощных ЩП-транзисторах, энергетические параметры которого сравнимы с параметрами аналогичного усилителя на БТ. Кроме того.

1. Усилитель обладает более высокой линейностью при отсутствии подмодуляции. Уровень комбинационных искажений в максимальной точке меньше -30 дБ, а при средних уровнях мощности он достигает -34 дБ;

2. Усилитель имеет более широкий динамический диапазон. При уменьшении выходной мощности на 20 дБ, уровень комбинационных искажений остается ниже -34 дБ;

3. Доказана возможность повышения к.п.д. по первой гармонике усилителя на мощных ЩЛ-транзисторах путем использования фильтровой нагрузки по сравнению с аналогичным усилителем на БТ, который работает на систему взаимодополняющих фильтров;

4. Показана возможность существенного улучшения стабильности характеристик в диапазоне температур- 5. Намечены пути дальнейшего улучшения характеристик усилителя.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Цель работы состояла в определении возможности построения передатчиков на мощных ЩЩ-транзисторах, работающих в ключевом режиме. В результате исследования доказана целесообразность применения таких передатчиков в диапазоне средних волн. Разработан макет мощных каскадов передатчика, который служит основой для опытно-конструкторской работы, проводимой на предприятии п/я № Р-6510 .

Важнейшими научными результатами являются;

1. Разработка метода анализа потерь мощности в ключевых генераторах на мощных ЩЩ-транзисторах на основе расчета коммутативных потерь. Этот метод несмотря на свою простоту позволяет оценивать потери мощности как во входной, так и в выходной цепи генератора с достаточной для практики точностью.

2. Предложена простая эквивалентная схема мощного МДП-тра-нзистора удобная для энергетических расчетов ключевых генераторов. Измерены параметры этой схемы для распространенных типов отечественных мощных ЩЩ-транзисторов.

3. Определены максимальные частоты, на которых возможна высокоэффективная работа ключевого генератора на современных мощных ЩЩ-транзисторах.

4. Доказана возможность работы генератора на МДП-транзисто-рах при расстроенной нагрузке без включения внешних шунтирующих диодов за счет проводимости транзистора при обратных напряжениях сток-исток.

5. Доказана возможность осуществления модуляции изменением напряжения стока при малой паразитной фазовой модуляции.

6. Вскрыта природа осциллирующих выбросов напряжений, которые возникают при переключениях транзистора, и рекомендованы методы их уменьшения.

Все эти выводы подтверждены экспериментами либо на макете генератора, либо на моделях с использованием ЭЦВМ.

Важнейшим практическим результатом является создание высокоэффективного усилителя однополосного сигнала СВ диапазона по методу Кана на мощных МДП-транзисторах по энергетическим параметрам практически не уступающий аналогичному усилителю на БТ. Так.

— усилитель обладает более высокой линейностью при отсутствии подмодуляции. Уровень комбинационных искажений в максимальной точке меньше -30 дБ, а при средних уровнях мощности он достигает -35.-37 дБ;

— усилитель имеет более широкий динамический диапазон. При уменьшении выходной мощности на 20 дБ, уровень комбинационных искажений остается ниже -34 дБ;

— показана возможность существенного улучшения стабильности характеристик усилителя в диапазоне температур.

Таким образом, можно утверждать, что мощные каскады передатчиков на ЩЛ-транзисторах при работе в ключевом режиме в ближайшем будущем должны найти широкое применение.