ES2296460B1 - "A LOW ENERGY TRANSITIONAL DISCHARGE PROTECTION CIRCUIT". - Google Patents
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Abstract
Un circuito de protección de descargas transitorias de baja energía. Permite proteger tecnología electrónica utilizada en la banda de televisión terrestre cuando se emplea en banda ancha. Se basa en conectar dos diodos limitadores puestos en oposición, cada uno de ellos desde la línea principal a la línea de masa, y de manera que se añade a dichos diodos un filtro paso bajo que sintoniza las capacidades parásitas introducidas por los referidos diodos, minimizando así las pérdidas de paso en alta frecuencia que introducen esos diodos.A protection circuit for low energy transient discharges. It allows to protect electronic technology used in the terrestrial television band when it is used in broadband. It is based on connecting two limiting diodes placed in opposition, each of them from the main line to the mass line, and so that a low-pass filter is added to said diodes that tunes the parasitic capacities introduced by the said diodes, minimizing thus the high frequency step losses introduced by these diodes.
Description
Un circuito de protección de descargas transitorias de baja energía.A discharge protection circuit Low energy transients.
La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un circuito de protección de descargas transitorias de baja energía cuya finalidad esencial consiste en limitar las descargas estáticas presente en las redes de RF y minimizar las pérdidas de frecuencia debidas a las capacidades parásitas presentes en los correspondientes diodos, realizando una sintonía de tipo paso bajo que cubra el mayor ancho de banda posible; y permitiendo además, dependiendo de la configuración realizada, trabajar con niveles de RF elevados, así como trabajar con líneas balanceadas en los casos que se requiera. Para ello, se proporciona un circuito que compensa las capacidades en alta frecuencia de los correspondientes diodos, que reduce pérdidas de paso en altas frecuencias y que al mismo tiempo es capaz de eliminar las componentes de alta tensión que aparecen en la correspondiente línea de radiofrecuencia.The present invention, as expressed in the statement of this specification refers to a circuit of protection of low energy transient discharges whose essential purpose is to limit static discharges present in RF networks and minimize frequency losses due to the parasitic capacities present in the corresponding diodes, performing a low pass type tuning covering the greatest possible bandwidth; and also allowing, Depending on the configuration, work with levels of High RF, as well as working with balanced lines in cases that is required. For this, a circuit is provided that compensates the high frequency capabilities of the corresponding diodes, which reduces loss of passage at high frequencies and at the same time is able to eliminate the high voltage components that they appear in the corresponding radiofrequency line.
En las líneas de RF se producen descargas transitorias de baja energía debidas a la estática presente en la red. Los dispositivos semiconductores son altamente sensibles a estas descargas, que se traducen en picos muy rápidos de alta tensión.RF lines produce downloads Low energy transients due to the static present in the net. Semiconductor devices are highly sensitive to these downloads, which translate into very fast high peaks tension.
El método tradicional para la protección de este
tipo de descargas suele ser por filtrado o por limitación. Al
generar la descarga un pico transitoria no periódico, éste genera
una serio de componentes espectrales dentro del rango de
frecuencias de DC de 1000 MHz, con un mayor acumulación de
componentes espectrales por encima de los 70 V de componente
espectral en la banda DC de 200 MHz. Un filtrado por encima de estas
frecuencias permite eliminar las componentes espectrales de baja
frecuencia que pueden dañar el dispositivo semiconductor empleado.
En amplificadores de satélite (SAT), cuya banda a cubrir es de 950
a 2200 MHz, un filtro paso alto convencional protege al dispositivo
semiconductor, derivando las componentes de alta tensión que
aparecen en bajas frecuen-
cias.The traditional method for the protection of this type of downloads is usually by filtering or by limitation. When the discharge generates a non-periodic transient peak, it generates a serious spectral component within the 1000 MHz DC frequency range, with a greater accumulation of spectral components above the 70 V spectral component in the DC 200 band MHz. Filtering above these frequencies allows eliminating the low frequency spectral components that can damage the semiconductor device used. In satellite amplifiers (SAT), whose band to be covered is 950 to 2200 MHz, a conventional high pass filter protects the semiconductor device, deriving the high voltage components that appear at low frequencies.
cias.
Sin embargo, la mayor parte de los amplificadores de televisión terrestre (TVT) salen o entran en banda ancha, cubriendo la banda de frecuencia comprendida entre 5 y 862 MHz. En amplificadores con vía de retorno, el corte de las bandas está comprendido entre 5 y 65 MHz y 86 y 862 MHz, por lo que todavía entran componentes espectrales de baja frecuencia que tienen un alto valor de tensión.However, most of the terrestrial television amplifiers (TVT) come out or enter broadband, covering the frequency band between 5 and 862 MHz. In amplifiers with return path, the cutting of the bands are between 5 and 65 MHz and 86 and 862 MHz, so low frequency spectral components still enter that They have a high tension value.
En este caso, el filtrado no es suficiente puesto que al producirse una descarga aparece una onda amortiguada con unos valores de cresta superiores a los 400 V, lo que daña la tecnología utilizada para amplificar la señal de RF, tanto en la vía de retorno como en la vía directa. Si esta tecnología es, además, AsGa, el riesgo es mucho mayor al ser el dopaje del AsGa más sensible que el Si a las descargas de tipo estático.In this case, filtering is not enough. since a shock occurs when a shock occurs with peak values greater than 400 V, which damages the technology used to amplify the RF signal, both in the return path as in the direct path. If this technology is, In addition, AsGa, the risk is much higher as the doping of AsGa more sensitive than Yes to static discharge.
La experiencia indica que el modo de protección por limitación funciona correctamente. Basado en la técnica de uso de dos diodos puestos en oposición, de la línea principal a la línea de masa, estos diodos tienen la misión principal de limitar la tensión que entra en la línea principal cuando con esa tensión se polariza uno de los diodos y deriva a masa la tensión de la descarga. El motivo de poner dos diodos en oposición es debido a que los picos de tensión pueden ser positivos o negativos. Cuando el pico es positivo, el diodo que tiene el cátodo directamente puesto a masa se ceba y limita la tensión de la descarga al valor de polarización del diodo, introduciendo una baja impedancia que se encarga de cortar la tensión producida por la onda amortiguada que introduce el filtro. Cuando el pico es negativo, esta labor la realiza el diodo que tiene el cátodo conectado directamente a la línea de RF.Experience indicates that the protection mode by limitation it works correctly. Based on the technique of use of two diodes placed in opposition, from the main line to the mass line, these diodes have the main mission of limiting the voltage that enters the main line when with that tension one of the diodes is polarized and the voltage of the discharge. The reason for putting two diodes in opposition is due to that voltage spikes can be positive or negative. When the peak is positive, the diode that has the cathode directly grounding is primed and limits the discharge voltage to the value of polarization of the diode, introducing a low impedance that responsible for cutting the tension produced by the damped wave that Enter the filter. When the peak is negative, this work the performs the diode that has the cathode connected directly to the RF line
Este sistema ha sido siempre el convencional a utilizar en equipos de RF que usen filtrados inferiores a los 200 MHz, siendo totalmente funcionales cuando se usan en vías de retorno o en amplificadores de VHF. El problema surge cuando lo que se quiere cubrir es un amplificador de banda ancha, debido a que los diodos que se utilizan para hacer la limitación suelen tener capacidades del orden de los 2 a 3 pF. Estas capacidades introducen una impedancia considerable en frecuencias altas, lo que introduce pérdidas considerables en altas frecuencias.This system has always been the conventional one to use in RF equipment that uses filtrates below 200 MHz, being fully functional when used on roads return or in VHF amplifiers. The problem arises when what you want to cover is a broadband amplifier, because the diodes that are used to make the limitation usually have capacities of the order of 2 to 3 pF. These capabilities introduce considerable impedance at high frequencies, which introduces considerable losses at high frequencies.
Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un circuito de protección de descargas transitorias de baja energía que permite proteger tecnología electrónica utilizada en la banda de 47 a 872 MHz cuando se emplea en banda ancha y que se basa en conectar dos diodos limitadores puestos en oposición, cada uno de ellos desde la línea principal a la línea de masa.To achieve the objectives and avoid drawbacks indicated in previous sections, the invention consists of a protection circuit for transient discharges of low energy that allows to protect electronic technology used in the band from 47 to 872 MHz when used in broadband and that it is based on connecting two limiting diodes placed in opposition, each of them from the main line to the mass line.
Novedosamente, según la invención, el circuito de la misma añade a dichos diodos un filtro paso bajo que sintoniza las capacidades parásitas introducidas por los referidos diodos, minimizando así las pérdidas de paso en alta frecuencia introducidas por esos diodos.Novelly, according to the invention, the circuit of the same adds to these diodes a low pass filter that tune the parasitic capacities introduced by the referred ones diodes, thus minimizing high frequency step losses introduced by those diodes.
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Según una realización preferente de la invención, el referido filtro paso bajo se implementa mediante dos bobinas en serie dispuestas en la referida línea principal y de manera que el punto de conexión entre las dos bobinas es el punto del que parten los dos diodos limitadores hacia la línea de masa.According to a preferred embodiment of the invention, said low pass filter is implemented by two series coils arranged in said main line and of so that the connection point between the two coils is the point from which the two limiting diodes leave towards the line of mass.
En otras realizaciones de la invención, cada uno
de los referidos diodos limitadores se puede desdoblar en dos
diodos conectados en serie, al objeto de evitar intermodulaciones
indeseadas cuando se trabaja con potencias ele-
vadas.In other embodiments of the invention, each of the referred limiting diodes can be split into two diodes connected in series, in order to avoid unwanted intermodulations when working with electric powers.
vadas
En otras realizaciones de la invención se pueden incluir condensadores de desacoplo que se dispongan intercalados entre los diodos limitadores y la línea de masa, al objeto de evitar la autopolarización de los diodos y la consiguiente limitación del rango dinámico del circuito cuando el correspondiente amplificador de RF trabaja en los valores máximos de su rango dinámico.In other embodiments of the invention, include decoupling capacitors that are interleaved between the limiting diodes and the mass line, in order to avoid diode autopolarization and the consequent dynamic range limitation of the circuit when the corresponding RF amplifier works at maximum values of its dynamic range.
Con la estructura que se ha descrito el circuito de la invención presenta las siguientes principales ventajas:With the structure that the circuit has been described of the invention has the following main advantages:
- --
- Es posible utilizar diodos convencionales para proteger el. sistema, con capacidades entre 1,5 y 4,5 pF, minimizando el coste de la protección y no siendo necesario recurrir a diodos de muy alta frecuencia que son mucho más caros.Is possible to use conventional diodes to protect the. system, with capacities between 1.5 and 4.5 pF, minimizing the cost of protection and not having to resort to very high diodes Often they are much more expensive.
- --
- El acoplo es fácilmente calculable e implementable, en cuanto a que es con bobinas que contrarrestan las capacidades del diodo, siendo además posible cubrir varios anchos de banda dependiendo de la capacidad de los diodos, aplicando la bobina necesaria para el filtrado.He coupling is easily calculable and implementable, as far as it is with coils that counteract the capacities of the diode, being also possible to cover several bandwidths depending on the diode capacity, applying the necessary coil for the filtered out.
- --
- Es posible utilizar el circuito tanto en líneas de RF no balanceadas como en líneas balanceadas, simplemente desdoblando el circuito.Is possible to use the circuit on both unbalanced RF lines as in balanced lines, simply unfolding the circuit.
- --
- Permite muchas posibilidades de configuración, haciéndole así muy versátil.It allows many possibilities of configuration, thus making it very versatile.
A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención.Then, to facilitate a better understanding of this descriptive report and being an integral part of the same, some figures are accompanied in which with character illustrative and not limiting the object of the invention.
Figura 1.- Representa el circuito eléctrico de una primera realización de un circuito de protección realizado según la presente invención.Figure 1.- Represents the electrical circuit of a first embodiment of a protection circuit performed according to the present invention.
Figura 2.- Representa el esquema eléctrico de una segunda realización de un circuito de protección realizado según la presente invención.Figure 2.- Represents the electrical scheme of a second embodiment of a protection circuit performed according to the present invention.
Figura 3.- Representa el esquema eléctrico de una tercera realización de un circuito de protección realizado según la presente invención.Figure 3.- Represents the electrical scheme of a third embodiment of a protection circuit performed according to the present invention.
Seguidamente se realiza una descripción de tres ejemplos de la invención mencionando las referencias empleadas en las figuras.Following is a description of three Examples of the invention mentioning the references used in the figures.
Así, la primera realización, mostrada en la figura 1, incluye las bobinas L1 y L2 que están sintonizadas con las capacidades de los diodos (D1 y D2) para constituir un filtro paso bajo que proporciona un corte por encima de 870 MHz, al objeto de minimizar el efecto de dichas capacidades. Las pérdidas asociadas a las capacidades de los diodos son de 2 dB en 860 MHz, bajando a 0,6 dB cuando se sintonizan con las bobinas, lo que permite usar un diodo convencional en lugar de uno de baja capacidad, por lo general de mayor coste. El funcionamiento para - las descargas electrostáticas (ESD) del limitador es similar a uno de diodos convencionales, puesto que las frecuencias que debe limitar están a más de 4 octavas del corte superior del filtro. El dispositivo limitador de esta primera realización podría actuar como limitador para la potencia RF que pueda proporcionar el correspondiente amplificador. Así, cuando esa potencia es superior a 116 dB\muV, los diodos pueden actuar como limitadores introduciendo intermodulación no deseada en el correspondiente sistema, de manera que en estos casos habría que emplear un circuito como el de la segunda realización mostrado en la figura 2.Thus, the first embodiment, shown in the Figure 1, includes coils L1 and L2 that are tuned to the capacities of the diodes (D1 and D2) to constitute a filter low pass that provides a cut above 870 MHz, to the object to minimize the effect of these capabilities. The losses associated to the capacities of the diodes are 2 dB in 860 MHz, falling to 0.6 dB when tuned to the coils, which allows to use a conventional diode instead of a low one capacity, usually higher cost. The operation for - Electrostatic discharge (ESD) of the limiter is similar to one of conventional diodes, since the frequencies you should Limit are more than 4 octaves from the upper cut of the filter. He limiting device of this first embodiment could act as a limiter for the RF power that the corresponding amplifier. Thus, when that power is higher at 116 dB µV, the diodes can act as limiters introducing unwanted intermodulation in the corresponding system, so that in these cases you would have to use a circuit like that of the second embodiment shown in the figure 2.
En dicha segunda realización, o figura 2, cada diodo limitador se sustituye por dos diodos en serie (D4 y D6) o (D3 y D5), tal y como se aprecia en la figura 2. Así, se reducen las capacidades de los diodos al colocar dos en serie en cada rama, lo que permite reducir el valor de las bobinas a la mitad, de manera que los valores de dichas bobinas L3 y L4 ahora son de 3 nH en vez de los 6 nH de las bobinas L1 y L2 de la primera realización. Además, se ha incrementado la posibilidad de aumentar el rango dinámico del amplificador en 3 dB, limitando en 122 dB\muV, con pérdidas mínimas en la frecuencia más alta. No obstante, cuando el correspondiente amplificador vaya a trabajar al límite, se puede producir un fenómeno de autopolarización de los diodos que limita el rango dinámico del sistema, en cuyo caso se puede emplear la tercera realización, mostrada en la figura 3, en la que se evita dicho fenómeno de autopolarización eliminando el camino directo de DC a masa mediante el uso de condensadores de desacoplo, tal y como se muestra en la figura 3.In said second embodiment, or figure 2, each Limiting diode is replaced by two diodes in series (D4 and D6) or (D3 and D5), as shown in Figure 2. Thus, they are reduced the capabilities of the diodes by placing two in series on each branch, which allows to reduce the value of the coils in half, of so that the values of said coils L3 and L4 are now 3 nH instead of the 6 nH of the coils L1 and L2 of the first realization. In addition, the possibility of increasing has increased the dynamic range of the amplifier in 3 dB, limiting in 122 dB µV, with minimal losses in the highest frequency. Do not However, when the corresponding amplifier goes to work at limit, a phenomenon of autopolarization of the diodes that limits the dynamic range of the system, in which case it you can use the third embodiment, shown in figure 3, in which avoids said phenomenon of autopolarization eliminating the direct path from DC to ground by using capacitors of decoupling, as shown in figure 3.
Así, esta tercera realización, mostrada en la figura 3, consigue una mejora considerable de los efectos de la intermodulación cuando se manejan niveles de salida elevados (\geq 122 dB\muV). La razón de incluir varios condensadores de desacoplo de continua, C1 a C6, se debe a la baja resistencia equivalente en serie (ESR) de los condensadores utilizados. Un condensador cerámico tiene una ESR del orden de 0,54 ohm, para un dispositivo de montaje en superficie (SMD) tipo 0603. Al tener que funcionar hasta 860 MHz, es requisito también minimizar la inductancia serie de dicho condensador. Al trabajar la ESD con altas tensiones, la resistencia ESR del condensador empieza a ser efectiva, por lo que el sistema limitador reduce su efectividad a la hora de limitar las componentes espectrales que se desean eliminar. Así, tres condensadores en paralelo reducen este efecto puesto que se reduce la ESR 0,18 ohms, reduciendo además la inductancia parásita de los condensadores en alta frecuencia en torno a 0,28 nH. Las principales ventajas de esta tercera realización son las siguientes:Thus, this third embodiment, shown in the Figure 3, achieves a considerable improvement in the effects of intermodulation when high output levels are handled (≥ 122 dB). The reason for including several capacitors of continuous decoupling, C1 to C6, is due to low resistance series equivalent (ESR) of the capacitors used. A ceramic capacitor has an ESR of the order of 0.54 ohm, for a surface mount device (SMD) type 0603. Having to operate up to 860 MHz, it is also a requirement to minimize the series inductance of said capacitor. When working ESD with high voltages, the capacitor ESR resistance begins to be effective, so the limiting system reduces its effectiveness to when limiting the desired spectral components remove. Thus, three parallel capacitors reduce this effect. since the ESR is reduced 0.18 ohms, further reducing the parasitic inductance of high frequency capacitors in around 0.28 nH. The main advantages of this third realization are as follows:
- --
- Permite trabajar con niveles de RF superiores a 122 dB\muV, puesto que no autopolariza en DC los diodos.Allows working with RF levels greater than 122 dB µV, since it does not autopolarize in DC the diodes
- --
- Su esquema eléctrico es de similar sencillez a la de las anteriores realizaciones primera y segunda, con la inclusión de diodos y condensadores.its electrical scheme is of similar simplicity to that of the previous ones first and second realizations, with the inclusion of diodes and capacitors
- --
- Posibilita una configuración balanceada, cuando las líneas de RF presenten dicha configuración.Enable a balanced configuration, when the RF lines present such configuration.
En todas las realizaciones descritas la bobina
L5 permite que éstas tengan tanto configuraciones en "T"
como
en "\Pi".In all the described embodiments, the L5 coil allows them to have both "T" configurations and
in "\ Pi".
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