DE4119738C2 - Hochfrequenz-Generator - Google Patents
Hochfrequenz-GeneratorInfo
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- DE4119738C2 DE4119738C2 DE4119738A DE4119738A DE4119738C2 DE 4119738 C2 DE4119738 C2 DE 4119738C2 DE 4119738 A DE4119738 A DE 4119738A DE 4119738 A DE4119738 A DE 4119738A DE 4119738 C2 DE4119738 C2 DE 4119738C2
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- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B5/00—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
- H03B5/08—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance
- H03B5/12—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device
- H03B5/1203—Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element comprising lumped inductance and capacitance active element in amplifier being semiconductor device the amplifier being a single transistor
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Generator
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren
zum hochfrequenten Tasten oder Pulsen (Erzeugen und
unterdrücken) des Ausgangsspannungssignals eines rück
gekoppelten, freischwingenden Hochfrequenz-Generators
mit einem MOSFET-Verstärkungstransistor.
Mit derartigen Hochfrequenz-Generatoren werden unter
anderem Laser oder andere plasmaerzeugende Verbraucher
angesteuert. Das Einsatzgebiet derartiger Verbraucher
ist beispielsweise die Medizintechnik oder die Ferti
gungstechnik. Hier ist es oftmals wünschenswert, die
von dem Hochfrequenz-Generator erzeugte Hochfrequenz-
Energie im zeitlichen Verlauf mit variablem Tastver
hältnis zu tasten, also zu pulsen oder allgemein zu
modulieren.
Hochfrequenz-Generatoren können prinzipiell nach zwei
unterschiedlichen Konzepten aufgebaut sein. Bei dem
sogenannten Verstärkerkonzept wird die Hochfrequenz
leistung zunächst durch einen Quarzoszillator oder
durch einen schwingkreis-stabilisierten Oszillator im
Kleinstpegelbereich erzeugt und in nachgeschalteten
Verstärkerstufen, den sogenannten Vortreiber- und Trei
berstufen verstärkt, um dann in der Endstufe auf den
geforderten Leistungspegel verstärkt zu werden. Ein
Pulsen oder Tasten der Hochfrequenzleistung ist durch
Takten der Treiberverstärker schnell und einfach mög
lich; die Pulsfrequenz ist nach oben durch die Mindest
einschwingzeiten des Verstärkers begrenzt.
Bei dem zweiten Konzept, nach dem ein Hochfrequenz-
Generator arbeiten und aufgebaut sein kann, handelt es
sich um den sogenannten freischwingenden Generator.
Dieser besteht im wesentlichen aus einer Verstärkerend
stufe, die aber nicht als Endverstärker arbeitet, son
dern deren Ausgang mit dem Eingang durch ein (frequenz
selektives) Rückkopplungsnetzwerk rückgekoppelt ist.
Während der Endverstärker den Verstärkungsfaktor v auf
weist, ist die Verstärkung des Rückkopplungsnetzwerkes
auf den Wert k eingestellt, wobei
k × v < 1
gilt. Ist die Oszillator-Rückkoppelbedingung für die
Frequenz, bei der Hochfrequenz-Generator schwingen
soll, erfüllt, so schwingt die Verstärkerendstufe an
und erzeugt die erforderliche Hochfrequenzleistung. Die
Ausgangsleistung eines freischwingenden Generators ist
lediglich durch Variation der Betriebsspannung möglich,
da der Endverstärker stets in die Sättigung gerät und
bis zur Betriebsspannung voll ausgesteuert ist. Ein
Pulsen oder Tasten der Hochfrequenzleistung erfolgt
durch entsprechende Pulsung oder Tastung der Betriebs
spannung, oder, bei Röhrenbetrieb, durch Tastung eines
Steuergitters, beispielsweise des Schirmgitters. Bei
einer derartigen Modulation der Betriebsspannung ist
die Tastfrequenz (Modulationsfrequenz) wegen der "lang
samen" Bauelemente recht gering. Bei Mehrelektrodenröh
ren ist dagegen durch Tastung eines Steuergitters eine
schnellere Pulsung möglich, die bis zu 10 KHz betragen
kann. Bei Leistungshalbleitern wie Transistoren oder
Power-MOSFET-Transistoren fehlt eine derartige für den
Pulsbetrieb geeignete Steuerelektrode. Der Wirkungsgrad
eines freischwingenden Generators ist höher als der
jenige eines nach dem Verstärkerkonzept aufgebauten
Generators, da die Endstufe stets in der Sättigung be
trieben wird und keine leistungsbeanspruchenden Trei
berstufen nötig sind, während beim Verstärkerkonzept-
Generator wegen der diversen Treiberstufen der Gesamt
wirkungsgrad schlechter ist als der Wirkungsgrad der
Endstufe selber.
Aus DE 35 44 412 C2, von der im Oberbegriff des An
spruchs 1 ausgegangen wird, ist ein solcher Freischwin
ger bekannt, der eine Verstärkerschaltung und eine
Rückkopplungsschaltung aufweist und dessen Gesamtver
stärkungsfaktor größer als 1 ist. Zum Verstärken des
Eingangssignals der Verstärkerschaltung weist diese
einen MOSFET-Verstärkungstransistor auf. Bei dem be
kannten HF-Generator dient ein passives Rückkoppelnetz
dazu, die HF-Energie zum Teil auf den Eingang rückzu
koppeln, um die HF-Schwingung aufrechterhalten zu kön
nen. Der MOSFET-Verstärkungstransistor ist vorgespannt,
wobei zur Erzielung eines besseren Wirkungsgrades wäh
rend der Einschwingphase diese Vorspannung angepaßt
wird. Sobald der HF-Generator einmal schwingt, bleibt
diese Schwingung erhalten. Eine Pulsung, d. h. ein Tak
ten der HF-Hüllkurve wird bei dem bekannten HF-Genera
tor nicht realisiert; dazu ist das bekannte Schaltungs
konzept auch gar nicht ausgelegt. In der Praxis hat
sich jedoch gezeigt, daß es je nach Anwendungsgebiet
vorteilhaft ist, wenn sich die HF-Hüllkurve eines Hoch
frequenz-Generators pulsen läßt. Dabei ist von ent
scheidender Wichtigkeit, daß die HF-Leistung schlag
artig zur Verfügung steht. Es muß also dafür Sorge ge
tragen werden, daß die Einhüllende der durch die Pul
sung entstehenden "HF-Leistungspakete" im Idealfall
eine Rechteckfarm aufweisen.
DE 32 25 222 A1 offenbart einen fremderregten, "klas
sischen" HF-Rechteckgenerator, der in seiner Grund
frequenz oszilliert. Bei dem aus dieser Druckschrift
bekannten Schaltungskonzept handelt es sich nicht um
einen freischwingenden Generator. Der bekannte HF-Gene
rator weist eine Schaltungsanordnung aus MOSFET-Tran
sistoren auf, die abwechselnd ein- und ausgeschaltet
werden. Die HF-Hüllkurve dieses bekannten HF-Generators
oszilliert kontinuierlich bei der Trägerfrequenz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch
frequenz-Generator
und ein Verfahren zum Betrieb
nach dem Freischwinger-Konzept zu
schaffen, mit dem sich auch bei Hochfrequenz-Ausgangs
leistungen von bis zu einigen MHz noch Modulations
frequenzen von über 100 kH realisieren lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein
HF-Generator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein
Verfahren nach Anspruch 7 vorgeschlagen; die Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den jeweiligen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen HF-Generator wird der MOSFET-
Verstärkungstransistor abwechselnd mit Nadelimpulsen
(Zünd- und Löschimpulse) entgegengesetzter Polarität
zum Überführen aus dem nicht-leitenden Zustand in den
leitenden Zustand und aus dem leitenden Zustand wieder
zurück in den nicht-leitenden Zustand versorgt. Die
Nadelimpulse werden dabei derart gewählt, daß für eine
Zeitdauer, die mindestens bis zu fünfmal so lang ist
wie die Einschwing- oder die Ausschwingzeitdauer des
HF-Generators an dem MOSFET-Verstärkungstransistor be
tragsmäßig ein Vielfaches der Gate-Schwellwertspannung
als Steuerspannung zum Ein- und Ausschalten anliegt,
während in den Zeitintervallen zwischen zwei jeweils
aufeinanderfolgenden Nadelimpulsen ausschließlich das
zu verstärkende Rückkopplungssignal am Steuereingang
des MOSFET-Verstärkungstransistors angelegt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Generator wird
der MOSFET-Verstärkungstransistor "gewaltsam" in den
leitenden bzw. in den nicht-leitenden Zustand versetzt.
Dies erfolgt dadurch, daß an den Steuereingang des
MOSFET-Verstärkungstransistors Nadelimpulse angelegt
werden, die betragsmäßig ein Vielfaches der Gate-
Schwellwertspannung des MOSFET-Verstärkungstransistors
liefern, und zwar für eine ausreichende Zeitdauer, so
daß der HF-Generator entweder einschwingen oder aus
schwingen kann. Das gewaltsame "Aufreißen" des MOSFET-
Verstärkungstransistors bewirkt, daß selbst kleinste
Rauschspannungen an seinem Eingang innerhalb kürzester
Zeit derart stark verstärkt werden, daß der HF-Genera
tor zu schwingen beginnt. Umgekehrt wird der MOSFET-
Verstärkungstransistor gewaltsam "erstickt", indem ein
Nadelimpuls angelegt wird, bei dem der MOSFET-Verstär
kungstransistor unter Garantie keine Signalverstärkung
bewirkt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nadel
impulsen liegt an dem Steuereingang des MOSFET-Verstär
kungstransistors lediglich das rückgekoppelte zu ver
stärkende Signal an. Eine Gleichspannungs-Arbeitspunkt
einstellung des MOSFET-Verstärkungstransistors ist bei
dem erfindungsgemäßen HF-Generator also nicht vorge
sehen, weshalb der MOSFET-Verstärkungstransistor mit
Ausnahme der extrem kurzen Zeitabschnitte, in denen die
Nadelimpulse anliegen, ausschließlich im Klasse-C-Be
trieb arbeitet.
Dem Steuer-(Gate-)Eingang des MOSFET-Verstärkungstran
sistors des HF-Generators werden also abwechselnd Zünd-
und Löschimpulse unterschiedlicher Polarität zugeführt.
Mit den Zündimpulsen wird an das Gate des MOSFET-Tran
sistors eine Spannung angelegt, die beträchtlich größer
ist als die Gate-Schwellwertspannung, so daß der
MOSFET-Transistor in den leitenden Zustand versetzt
wird. Demgegenüber wird dem Gate des MOSFET-Transistors
mit den Löschimpulsen eine Löschspannung zugeführt, bei
der zuvor leitende Transistor in seinen nicht-leitenden
Zustand übergeht. Die Impulsdauer sowohl der Zünd- als
auch der Löschimpulse ist jeweils größer als die Ein
schwing- und/oder die Ausschwingzeitdauer der Verstär
kerschaltung. Für die Verstärkerschaltung (Endstufe)
des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Generators wird ein
Power-MOSFET-Transistor verwendet; derartige Transisto
ren lassen sich sowohl in konventionellen als auch in
hochfrequenz geeigneten Bauformen zur Erzeugung von
Hochfrequenzenergie im Bereich zwischen 1 bis 1000 MHz
ideal einsetzen. Wie bei Bipolar-Transistoren fehlt
auch bei MOSFET-Transistoren eine Steuerelektrode zur
Modulation bzw. Pulsung oder Tastung. Durch Tastung der
Betriebsspannungsenergie des MOSFET-Transistors lassen
sich nur relativ geringe Modulationsfrequenzen der
Hochfrequenz-Ausgangsleistung erzielen.
Deshalb wird bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-
Generator nicht die Betriebsspannung des MOSFET-Tran
sistors getastet, sondern es werden an den Gate-Eingang
des Transistors Impulse angelegt, die den Transistor
abwechselnd zünden, d. h. von dem Sperrzustand in den
leitenden Zustand überführen und löschen, d. h. von dem
leitenden Zustand in den seinen Sperrzustand überfüh
ren. Während der Zündspannungsimpuls am Gate des
MOSFET-Verstärkungstransistors anliegt, schwingt der
Hochfrequenz-Generator an. Sobald die Zündspannung näm
lich die Gate-Schwellwertspannung des MOSFET-Verstär
kungstransistors von ca. 3 Volt überschritten hat,
setzt wegen des steilen Kennlinienverlaufs (Abhängig
keit des Drain-Stromes von der Gate-Source-Spannung)
das Anschwellen des Drain-Stromes abrupt ein. Mit an
steigendem Drain-Strom steigt auch der Verstärkungsfak
tor v. Da der Zündimpuls den MOSFET-Transistor vollkom
men aussteuert, und zwar in einem stärkeren Maße als
beim Schwingen des Hochfrequenz-Generators, wird das
Rauschen am Eingang des MOSFET-Transistors übermäßig
stark verstärkt, so daß der Hochfrequenz-Generator an
schwingt. Bevor die Spannung des Zündimpulses wieder
bis unterhalb der Gate-Schwellwertspannung abgesunken
ist, ist der Hochfrequenz-Generator eingeschwungen und
hält sich nun selbst aufrecht. Ohne Eingriff von außen
würde der Hochfrequenz-Generator nun immer weiter
schwingen. Zum Beenden dieses Schwingungsvorganges wird
dem Gate-Eingang des MOSFET-Transistors ein Löschspan
nungsimpuls zugeführt, dessen Amplitude größer ist als
die Summe aus der Scheitelspannung der von dem MOSFET-
Transistor im Oszillator-Betrieb zu verstärkenden Span
nungssignals und der Gate-Schwellwertspannung. Die
Löschspannung ist negativ, so daß der MOSFET-Transistor
in jedem Falle aus dem leitenden Zustand in den nicht
leitenden Sperrzustand überführt wird. Die Zeitdauer,
für die der Löschimpuls eine Löschspannung aufweist,
die betragsmäßig größer ist als oben angegeben, muß
größer als die Ausschwingzeitdauer der Verstärkerschal
tung sein, damit der MOSFET-Transistor in jedem Falle
in den Sperrzustand übergegangen ist, wenn der Lösch
impuls abgeklungen ist. Nach dem Anlegen des Löschspan
nungsimpulses fließt in den MOSFET-Verstärkungstransis
tor kein Ruhestrom mehr hinein, da dessen Gate-Spannung
0 Volt beträgt. Der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen
Hochfrequenz-Generators weist deshalb den durch den
Schaltungsaufbau maximal erzielbaren Wert auf.
Neben der Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades
zeichnet sich der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Genera
tor durch eine sehr gute Puls- oder Tastfähigkeit aus,
wobei bei Ausgangssignalen im MHz-Bereich Tastfrequen
zen von vielen -zig KHz leicht erreicht werden. Bei
einem im Laborbetrieb praktisch aufgebauten Generator
mit einer Ausgangsspannung im 100 MHz-Bereich konnten
Tastfrequenzen von über 100 KHz erreicht werden. Die
Anstiegs- und Abfallzeiten der Hochfrequenz-Hüllkurve
des Ausgangssignals liegen dabei jeweils unter einer
Mikrosekunde, was mit herkömmlichen Schaltungen bisher
nicht erreicht werden kannte. Die Breite der hierbei
verwendeten Zünd- und Löschimpulse liegt im Mikrosekun
den-Bereich. Diese extrem kurzen (Trigger-)Impulse füh
ren nicht zu einer thermischen Vernichtung des MOSFET-
Transistors, obwohl wegen der Vollaussteuerung des
MOSFET-Transistors bei Zündspannungen von 10 Volt und
mehr extrem hohe Ströme fließen. Aufgrund dieser kurz
zeitigen Vollaussteuerung (oder Vollsperrung) des
MOSFET-Transistors schwingt dieser schnellstmöglich an
(ab), wobei die Einschwingzeiten (Ausschwingzeiten)
lediglich durch die Form der Triggerimpulse und den
Gütefaktor des (nachgeschalteten) Induktivität-Kapazi
tät-Schwingkreises begrenzt ist (Betriebsgüte Q). Bei
Einsatz eines MOSFET-Verstärkungstransistor betragen
die Einschwing- und Ausschwingzeiten etwa das Zwei- bis
Fünffache der Periodendauer des Hochfrequenz -Ausgangs
signals des Generators.
Durch die Vollaussteuerung des MOSFET-Transistors bei
Anlegen des Zündspannungsimpulses arbeitet dieser mit
Verstärkungsfaktoren, die ein Vielfaches höher sind als
der Nennverstärkungsfaktor. Damit ist sichergestellt,
daß der Hochfrequenz-Generator auch bei Leistungsfehl
anpassung anschwingt. Eine derartige Leistungsfehlan
passung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß die
mit der Hochfrequenzleistung zu versorgende Last ihre
Impedanz ändert, was bei plasmaerzeugenden Verbrauchern
in Abhängigkeit von dem Betriebszustand, in dem sie
betrieben werden, eintritt.
Bei dem erfindungsgemäßen HF-Generator betragen die
Zünd- und die Löschspannungen betragsmäßig ein Viel
faches der Gate-Schwellwertspannung des MOSFET-Verstär
kungstransistors, wobei bezüglich des Betrages der
Löschspannung ferner gilt, daß dieser deutlich größer
ist als die Summe aus der Scheitelspannung des zu ver
stärkenden Spannungssignals und der Gate-Schwellwert
spannung. Bei Einhaltung dieser Bedingungen ist stets
ein zuverlässiges Zünden und ein zuverlässiges Löschen
des MOSFET-Transistors gegeben, mit der Folge, daß der
MOSFET-Transistor aus seinem Sperrzustand in den lei
tenden Zustand und danach aus dem leitenden Zustand
wieder in den Sperrzustand überführt wird.
Die bei der Erfindung gegebenen Besonderheiten lassen
sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Der erfindungsgemäße HF-Generator schwingt auf der Trägerfrequenz (einige 100 MHz) durch geeignete, phasenkorrekte Rückkopplung und nicht durch eine taktende Ansteuerung in der Trägerfrequenz.
- 2. Der erfindungsgemäße HF-Generator wird in der HF- Hüllkurve gepulst, und zwar durch extreme Ansteue rung (Quasi-Zündung) des aktiven Endstufenelemen tes, nämlich des MOSFET-Verstärkungstransistors. Erst nach Zündung des MOSFET-Verstärkungstransis tors schaukelt sich die HF-Schwingung innerhalb kürzester Zeit auf die gewünschte Trägerfrequenz auf. Das Konzept des erfindungsgemäßen HF-Genera tors, die HF-Schwingung durch extreme Ansteuerung des MOSFET-Verstärkungstransistors zu initiieren, indem an dessen Steuereingang kurzzeitig ein Viel faches der Gate-Schwellwertspannung angelegt wird, ist bisher einzigartig. Durch die Taktrate der die HF-Energie überlagernden Nadelimpulse wird der MOSFET-Verstärkungstransistor gezündet bzw. ge löscht.
- 3. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Schaltungskonzepts für einen HF-Generator lassen sich HF-Hüllkurven anstiege bei Pulsung der HF-Hüllkurve erreichen, wie sie bisher nicht vorstellbar waren. Damit läßt sich der erfindungsgemäße HF-Generator insbeson dere in der Lasertechnik anwenden, wo es unter anderem darauf ankommt, die zu treibende Last pul sen zu können.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge
sehen, daß der Hochfrequenz-Generator im sogenannten
Klasse C Betrieb arbeitet. Dem MOSFET-Verstärkungstran
sistor wird also (zwischen den einzelnen Zünd- und
Löschimpulsen) kein Ruhestrom zur Einstellung eines
Arbeitspunktes zugeführt. Damit bleibt der MOSFET-Tran
sistor auch dann ausgeschaltet, wenn der Löschspan
nungsimpuls abgeklungen ist. Darüberhinaus weist der
erfindungsgemäße Hochfrequenz-Generator einen recht
hohen Wirkungsgrad auf, wenn er im Klasse C Betrieb
arbeitet.
Um bei angelegtem Zündspannungsimpuls ein zuverlässiges
Einschwingen des Hochfrequenz-Generators und beim An
legen des Löschspannungsimpulses ein zuverlässiges Aus
schwingen des Hochfrequenz-Generators zu gewährleisten,
ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin
dung vorgesehen, daß die Zünd- und die Löschspannungs
impulse jeweils mindestens bis zu zehnmal so groß sind
wie die Einschwing- oder die Ausschwingzeitdauer der
Verstärkerschaltung.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorge
sehen, daß die Zünd- und die Löschimpulse als Nadel
impulse vorliegen, die besonders vorteilhaft durch
Differenzierung eines Rechteck-Spannungssignals erzeugt
werden, also betragsmäßig gleich groß sind und umge
kehrte Polaritäten aufweisen. Der durch Differenzierung
mittels Filterung eines Rechteck-Spannungssignals in
einem Hochpaß-Filter erzeugte Nadelimpuls weist eine
steile Anstiegsflanke und eine weniger steile Abfall
flanke auf. Bei einem derartigen Nadelimpuls sollte
dafür gesorgt werden, daß die Zündspannung und die
Löschspannung jeweils für eine Zeitdauer anliegen, die
mindestens bis zu fünfmal so lang ist wie die Ein
schwing- oder die Ausschwingzeitdauer der Verstärker
schaltung, so daß immer ein zuverlässiges Ein- oder
Ausschwingen gegeben ist.
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Hoch
frequenz-Generator eine Pulsung der Hochfrequenz-Aus
gangsleistung mit variabler Frequenz möglich. Hierzu
ist die Frequenz der Zünd- und der Löschimpulse ein
stellbar, indem entweder die Zeit zwischen einem Zünd
impuls und einem darauf folgenden Löschimpuls und/oder
die Zeit zwischen einem Löschimpuls und einem darauf
folgenden Zündimpuls einstellbar ist.
Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei
spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen
zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines Hochfrequenz-Genera
tors mit angeschlossener Last,
Fig. 2a bis 2c
den Zeitverlauf der Spannungssignale an den in
Fig. 1 mit a,b und c gekennzeichneten Stellen
des Blockschaltbildes und
Fig. 3 in vergrößertem Maßstab die beiden an dem Ein
gang des MOSFET-Transistors der Schaltung nach
Fig. 1 anliegenden Signale beim Zünden und beim
Löschen des MOSFET-Transistors.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild eines Hochfrequenz-
Generators 10 dargestellt, an dessen Ausgang 12 eine
beispielsweise plasmaerzeugende Last 14 (Gas-Laser,
Sputter-Anlage o. dgl.) angeschlossen ist. Der Hoch
frequenz-Generator 10 ist nach Art eines freischwingen
den Generators aufgebaut und besteht im wesentlichen
aus einer Verstärkerschaltung 16, deren Ausgang 18 mit
dem Eingang 20 eines ersten Anpassungsnetzwerks 22 ver
bunden ist. Der Ausgang des Anpassungsnetzwerks 22 bil
det den Ausgang 12 des Hochfrequenz-Generators 10. Der
Ausgang des Anpassungsnetzwerks 22 ist ferner mit dem
Eingang 24 eines frequenzselektiven Rückkopplungsnetz
werks 26 verbunden. Das Rückkopplungsnetzwerk 26 weist
einen Ausgang 28 auf, der mit dem Eingang 30 der Ver
stärkerschaltung 16 gekoppelt ist. An seinem Eingang 30
weist die Verstärkerschaltung 16 ein zweites Anpas
sungsnetzwerk 32 auf, dessen Ausgang 34 mit dem Gate-
Anschluß 36 eines Power-MOSFET-Transistors 38 verbunden
ist. Der Source-Anschluß 40 des MOSFET-Transistors 38
ist mit Masse verbunden, während der Drain-Anschluß 42
den Ausgang 18 der Verstärkerschaltung 16 bildet.
Das Rückkopplungsnetzwerk 26 arbeitet bei einem (ein
stellbaren) Rückkopplungsverstärkungsfaktor k (Rückwärtsverstärkung),
der etwas größer ist als der Kehr
wert des Verstärkungsfaktors v (Vorwärtsverstärkung)
der Verstärkerschaltung 16 bzw. des MOSFET-Transistors
38. Damit gilt:
k × v < 1.
(Genauer gesagt muß der Rückkopplungsfaktor k größer
als das Produkt der Verstärkungsfaktoren der beiden
Anpassungsnetzwerke 22, 32 und des MOSFET-Transistors 38
sein.)
Neben der zum selbsttätigen Schwingen des Hochfrequenz-
Generators 10 erforderlichen betragsmäßigen Erfüllung
der Schwingbedingung muß diese auch bezüglich der Phase
erfüllt sein. Die Phasendrehung, die ein am Eingang 30
der Verstärkerschaltung 16 anstehendes Signal erfährt,
muß 360° oder ein Vielfaches davon betragen. Eine
Phasendrehung erfährt das Signal in den beiden Anpas
sungsnetzwerken 22, 32, dem MOSFET-Transistor 38 und dem
Rückkopplungsnetzwerk 26. Die Phasenverschiebung im
Rückkopplungsnetzwerk 26 ist einstellbar, so daß über
das Rückkopplungsnetzwerk 26 die Schwingbedingung durch
die Phasenverschiebungseinstellung auch bezüglich ihrer
Phase erfüllt werden kann.
Die Anpassungsnetzwerke 22 und 32 sowie das Rückkopp
lungsnetzwerk 26 sind aus passiven reaktiven Bauelemen
ten (Induktivitäten, Kapazitäten) aufgebaut. Dabei hat
das zweite Anpassungsnetzwerk 32 die Aufgabe der
Leistungsanpassung der Ausgangsleistung des Rückkopp
lungsnetzwerkes 26 an die Eingangsleistung des MOSFET-
Transistors 38. Die Verbindung des Ausganges 28 des
Rückkopplungsnetzwerkes 26 mit dem Eingang 30 der Ver
stärkerschaltung 16 erfolgt normalerweise über eine 50
Ohm Koaxial-Leitung, weshalb mit dem Anpassungsnetzwerk
32 auch die Impedanz der Koaxial-Leitung auf die Ein
gangsimpedanz des MOSFET-Transistors 38 transformiert
wird. Die Aufgabe des ersten Anpassungsnetzwerkes 22
besteht in der Leistungsanpassung der Ausgangsleistung
des MOSFET-Transistors 38 an die von der Last 14 und
dem Rückkopplungsnetzwerk 26 aufgenommenen Leistungen.
Auch im ersten Anpassungsnetzwerk 22 erfolgt eine Impe
danztransformation, und zwar wird die Ausgangsimpedanz
des MOSFET-Transistors 38 auf die Gesamtimpedanz aus
Last 14 und Rückkopplungsnetzwerk 26 transformiert.
Der MOSFET-Transistor 38 arbeitet im Klasse C Betrieb,
d. h. seinem Gate 36 werden keine Gleichspannungen zur
Überführung des Transistors 38 in einen Arbeitspunkt
zugeführt. Am Gate 36 liegen also bis auf die nachfol
gend zu beschreibenden Zünd- und Löschspannungsimpulse
keine (Gleich-)Spannungen an, die dem von dem MOSFET-
Transistor 38 zu verstärkenden (Nutz-)Signal überlagert
werden.
Die Verstärkerschaltung 16 ist mit einer Triggerimpuls
signal-Erzeugungsschaltung 44 versehen, die einen
Rechtecksignal-Generator 46 und eine diesem nachge
schaltete Differenzierschaltung 48 aufweist. Der Aus
gang 50 der Differenzierschaltung 48 ist mit dem Gate
36 des MOSFET-Transistors 38 verbunden. In der Diffe
renzierschaltung 48, bei der es sich um ein als RC-
Glied ausgebildetes Hochpaß-Filter handelt, wird das
Rechtecksignal 49 der Frequenz AST in eine Folge von
paarweise aufeinanderfolgenden nadelförmigen Trigger
impulsen entgegengesetzter Polarität derselben Frequenz
umgesetzt. Die Größe der Rechteckspannung beträgt ca.
10 Volt oder mehr, so daß an den positiven Flanken des
Rechteckspannungsverlaufs positive und an den negativen
Flanken negative Triggerimpulse entstehen. Die posi
tiven Triggerimpulse, deren Amplitude ebenfalls ca. 10
Volt oder mehr beträgt, werden zum "Zünden" des MOSFET-
Transistors 38 verwendet (Zündspannungsimpuls 52),
während die negativen Triggerimpulse, deren Amplitude
ca. -10 Volt oder weniger beträgt, zum "Löschen" des
MOSFET-Transistors 38 verwendet werden (Löschspannungs
impulse 54).
Die Arbeitsweise des Hochfrequenz-Generators 10 wird
anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei sei
darauf hingewiesen, daß die Relationen der Signale in
den Fig. 2a bis 2c und 3 nicht maßstabsgerecht wieder
gegeben sind. Während die Frequenz der Ausgangsspannung
(Fig. 2c) und die Frequenz des dem MOSFET-Transistor
rückgekoppelten Nutzsignals (Fig. 2b) im 100 MHz-Be
reich liegt, liegt die Tastfrequenz (Fig. 2a) im 100
KHz-Bereich, wobei die in Fig. 2b dargestellten positi
ven und negativen Nadelimpulse eine Dauer im Mikro
sekunden-Bereich aufweisen. Zu Fig. 3 sei noch ange
merkt, daß in dieser Figur lediglich die beiden dem
Gate des MOSFET-Transistors 38 zugeführten Signale,
nämlich die Nadelimpulse und das Nutzsignal einge
zeichnet sind, ohne daß in Fig. 3 das sich aus dieser
Überlagerung ergebende Gesamtsignal wiedergegeben ist.
Beim Anlegen eines Zündspannungsimpulses 52, dessen
Amplitude deutlich größer als (nämlich beispielsweise
ca. dreimal so groß wie) die Gate-Schwellwertspannung
des Power-MOSFET-Transistors 38 von etwa 3 Volt ist,
wird der MOSFET-Transistor 38 voll ausgesteuert. Das
Eigenrauschen der Verstärkerschaltung 16 am Gate 36 des
MOSFET-Transistors 38 wird verstärkt, wobei zu beachten
ist, daß der Verstärkungsfaktor bei voller Aussteuerung
des MOSFET-Transistors 38 durch den Zündimpuls 52 deut
lich größer ist als bei der Nennansteuerung während des
späteren Oszillator-Betriebes (in Fig. 3 ist die Aus
wirkung dieser überhöhten Verstärkung auf das rückge
koppelte Nutzsignal am Gate des MOSFET-Transistors 38
nicht dargestellt). Das von dem MOSFET-Transistor 38
verstärkte Nutzsignal weist auch hinter dem Rückkopp
lungsnetzwerk 26 eine Verstärkung auf, die deutlich
größer als (etwa drei- bis fünfmal so groß wie) im
Nennbetrieb ist (die Gesamtverstärkung des aus der Ver
stärkerschaltung, den Anpassungsnetzwerken und dem
Rückkopplungsnetzwerk bestehenden Schleife ist etwas
größer als 1, was durch entsprechende Einstellung des
Rückkopplungsnetzwerkes erzielt wird). Das dem Gate des
MOSFET-Transistors 38 rückgeführte Nutzsignal 56 wird
wieder mit einem überhohen Verstärkungsfaktor ver
stärkt, so daß der Hochfrequenz-Generator 10 schnellst
möglich anschwingt, was im übrigen auch bei Fehlanpas
sung der Last 14 an den Hochfrequenz-Generator 10
sichergestellt ist. Die Einschwingzeitdauer TEIN be
trägt etwa das Zwei- bis Fünffache der Periodendauer
des Hochfrequenz-Ausgangssignals bei der Nennfrequenz
fHF (der Wert 2 bis 5 ist dabei durch den Power-MOSFET-
Transistor und die Betriebsgüte des Induktivität-Kapa
zität-Gesamtschwingkreises bestimmt). Damit der Hoch
frequenz-Generator 10 sicher anschwingt, sollte die
Zeitspanne, innerhalb derer der Zünd-Nadelimpuls 52
eine Spannung aufweist, die deutlich größer als die
Gate-Schwellwertspannung ist, mindestens etwa das Fünf
fache der Einschwingzeitdauer TEIN betragen.
Der in den Figuren dargestellte Hochfrequenz-Generator
10 soll bei einer Frequenz im 100 MHz-Bereich schwin
gen, seine Einschaltzeitdauer TEIN beträgt also etwa
2/100 bis 5/100 Mikrosekunden. Ein Nadelimpuls im
Mikrosekunden-Bereich und einer Amplitudenspannung von
ca. 10 Volt genügen, um diesen Hochfrequenz-Generator
10 anschwingen zu lassen. Wie man in Fig. 3 erkennen
kann, ist der Hochfrequenz-Generator 10 nach etwa 5/100
Mikrosekunden (50 Nanosekunden) eingeschwungen. Dies
ist ein Wert, der um mehrere Größenordnungen kleiner
ist als der bei konventionellen Hochfrequenz-Generato
ren erzielbare Wert und darüberhinaus bei derartigen
Hochfrequenz-Generatoren bisher nicht erreicht werden
konnte. Bei derartig kurzen Anstiegszeitdauern kann das
Ausgangssignal 58 des Hochfrequenz-Generators bei einer
Frequenz gepulst oder getastet werden (im Ausführungs
beispiel im 100 KHz-Bereich), die lediglich etwa zwei
bis drei Größenordnungen kleiner ist als die Ausgangs
signalfrequenz, wobei die an die Pulsung oder Tastung
gestellte Forderung nach einer rechteckförmigen Einhül
lenden 60 des gepulsten Hochfrequenz-Ausgangssignals
(Anstiegs- und Abfallzeiten um Größenordnungen kleiner
als die Pulsdauer des Hochfrequenz-Signals) erfüllt
sind (s. Fig. 2c).
Die thermische Zeitkonstante eines Power-MOSFET-Tran
sistors beträgt etwa 2 Millisekunden. Für eine wesent
lich kürzere Zeit, d. h. für eine Zeitdauer im Mikro
sekunden-Bereich, verträgt der MOSFET-Transistor jedoch
einen wesentlich höheren Drain-Strom, so daß die ge
waltsame Ansteuerung durch die entsprechend dimensio
nierten Nadel-Zündimpulse nicht zu einer thermischen
Zerstörung des MOSFET-Transistors führen.
Nachdem der Zündimpuls 52 abgeklungen ist, verbleibt
der MOSFET-Transistor 38 in seinem leitenden Zustand,
in den er zuvor durch den Zündimpuls gewaltsam über
führt worden ist. Jetzt arbeitet der MOSFET-Transistor
38 im Klasse C Betrieb, d. h. an seinem Gate liegen
gleichspannungsmäßig 0 Volt an.
Zur Beendigung der Pulsdauer, während derer der Hoch
frequenz-Generator 10 die Nenn-Hochfrequenz-Ausgangs
leistung liefert, wird dem Gate des MOSFET-Transistors
38 der negative Löschspannungsimpuls 54 zugeführt,
dessen Amplitude betragsmäßig größer sein muß als die
Scheitelspannung des dem Gate des MOSFET-Transistors 38
rückgekoppelten Nutzsignals 56. Bei einer typischer
weise 5 Volt betragenden Scheitelspannung dieses rück
geführten Nutzsignals 56 während des Oszillator-Betrie
bes und einer Gate-Schwellwertspannung von ca. 3 Volt
reicht der negative Löschspannungsimpuls mit der Ampli
tude von -10 Volt (die von dem Rechteck-Generator 46
erzeugte Rechteckspannung 49 beträgt etwa 10 Volt) aus,
um den MOSFET-Transistor 38 sicher vom leitenden Zu
stand in den nicht-leitenden Sperrzustand zu überfüh
ren. Auch dieser Vorgang erfolgt "gewaltsam" in einer
extrem kurzen Zeit. Der Löschspannungsimpuls muß jedoch
für eine Zeitdauer, die größer als die Ausschwingzeit
dauer TAUS ist, den oben definierten Löschspannungswert
aufweisen. Bis zum Abklingen des ebenfalls im Mikro
sekunden-Bereich liegenden Löschspannungsimpulses be
tragsmäßig bis unterhalb der Summe aus der Scheitel
spannung und der Gate-Schwellwertspannung ist dann jeg
liches Schwingen des Hochfrequenz-Generators durch
Sperren des MOSFET-Transistors 38 "erstickt" bzw.
unterdrückt, so daß der Hochfrequenz-Generator 10 kein
Ausgangssignal mehr liefert. Der MOSFET-Transistor 38
verbleibt in seinem Sperr- oder Aus-Zustand, bis der
nächste Zündimpuls 52 (positiver Triggerimpuls) ange
legt wird.
Lediglich in denjenigen Zeitabschnitten, in denen das
Gate 36 des MOSFET-Transistors 38 durch die Zündimpulse
52 mit einer Gleichspannung versorgt wird, die oberhalb
der Gate-Schwellwertspannung liegt, arbeitet der
MOSFET-Transistor 38 nicht im Klasse C Betrieb, sondern
im Klasse A, B oder AB Betrieb. Da diese Zeitabschnitte
jeweils im Submikrosekunden- bis Mikrosekunden-Bereich
liegen, ist der Wirkungsgrad des Hochfrequenz-Genera
tors 10 recht hoch.
Claims (7)
1. Hochfrequenz-Generator mit
- - einer einen Eingang (30) und einen Ausgang (12) aufweisenden Verstärkerschaltung (16) mit einem Verstärkungsfaktor, wobei die Verstärkerschal tung (16) zum Verstärken des Eingangssignals einen MOSFET-Verstärkungstransistor (38) auf weist,
- - einer Rückkopplungsschaltung (26), die einen mit dem Ausgang (12) der Verstärkerschaltung (16) gekoppelten Eingang (24) und einen mit dem Eingang (30) der Verstärkerschaltung (16) ge koppelten Ausgang (28) aufweist und mit einem Rückkoppelverstärkungsfaktor versehen ist, der größer oder gleich dem Kehrwert des Verstär kungsfaktors der Verstärkerschaltung (16) ist, dadurch gekennzeichnet,
- - daß dem Steuereingang (36) des MOSFET-Verstär kungstransistors (38) abwechselnd Zündspan nungen liefernde Zündimpulse (52) zum überfüh ren des MOSFET-Verstärkungstransistors (38) aus dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand und Löschspannungen liefernde Lösch impulse (54) zum Überführen des MOSFET-Verstär kungstransistors (38) aus dem leitenden Zustand in den nicht-leitenden Zustand zugeführt wer den, wobei die Zünd- und Löschimpulse (52, 54) einander entgegengesetzte Polaritäten aufwei sen
- - daß die Zünd- und die Löschimpulse (52, 54) je weils Nadelimpulse sind, deren Zeitverläufe derart sind, daß für eine Zeitdauer, die min destens bis zu fünfmal so lang ist wie die Ein schwing- oder die Ausschwingzeitdauer (TEIN, TAUS) der rückgekoppelten Verstärkerschaltung (16), an dem Steuereingang (36) des MOSFET-Ver stärkungstransistors (38) betragsmäßig ein Vielfaches von dessen Gate-Schwellwertspannung anliegt, und
- - daß zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nadel impulsen an dem Steuereingang (36) des MOSFET- Verstärkungstransistors (38) lediglich das rückgekoppelte zu verstärkende Signal anliegt.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Löschspannung betragsmäßig größer ist als
die Summe aus der Scheitelspannung des an dem
Steuereingang (36) des MOSFET-Verstärkungstransis
tors (38) anliegenden zu verstärkenden Spannungs
signals (56) und der Gate-Schwellwertspannung des
MOSFET-Verstärkungstransistors (38).
3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß dem Steuereingang (36) des MOSFET-
Verstärkungstransistors (38) ein Arbeitspunkt-
Ruhestrom nicht zugeführt wird.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß die Dauer der Zünd- und
der Löschimpulse (52, 54) jeweils mindestens bis zu
zehnmal so groß ist wie die Einschwing- oder Aus
schwingzeitdauer (TEIN, TAUS) der rückgekoppelten
Verstärkerschaltung (16).
5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Nadelimpulse durch
Differenzierung eines Rechteck-Spannungssignals
(49) erzeugt werden.
6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Zünd-
und der Löschimpulse (52, 54) einstellbar ist.
7. Verfahren zum hochfrequenten Erzeugen und Unter
drücken des Ausgangsspannungssignals eines rückge
koppelten, freischwingenden Hochfrequenz-Generator
mit einem MOSFET-Verstärkungstransistor, bei dem
- - der MOSFET-Verstärkungstransistor (38) ab wechselnd durch Anlegen eines Zünd-Nadelimpul ses (52) an seinem Steuereingang (36) aus dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zu stand und durch Anlegen eines Lösch-Nadelimpul ses (54) mit zum Zünd-Nadelimpuls (52) ent gegengesetzter Polarität an dem Steuereingang (36) aus dem leitenden Zustand wieder in den nicht-leitenden Zustand überführt wird, wobei die Zeitdauer, für die ein Zünd-Nadelimpulses (52) bzw. ein Lösch-Nadelimpuls (54) einen be tragsmäßig ein Vielfaches der Gate-Schwellwert spannung des MOSFET-Verstärkungstransistors (38) betragende Spannungswert aufweist, bis zu mindestens fünfmal größer ist als die Ein schwing- bzw. Ausschwingzeitdauer (TEIN, TAUS) des Hochfrequenzgenerators und
- - in der Zeit zwischen dem Anlegen der Zünd- und der Löschimpulse (52, 54) dem Steuereingang (36) des MOSFET-Verstärkungstransistors (38) ledig lich das von diesem zu verstärkende Signal (56) zugeführt wird.
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1991
- 1991-06-15 DE DE4119738A patent/DE4119738C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4119738A1 (de) | 1992-12-17 |
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