FI105611B - Radiotajuusvahvistimet - Google Patents

Description

Radiotaaiuusvahvistimet 105611

Esillä oleva keksintö koskee tehotransistorin sisältäviä radiotaajuusvahvistimia.

’ Erityisesti, vaikkakaan ei välttämättä keksintö koskee lämpötilakompensaation 5 toteuttamisen radiotaajuusvahvistimen tehotransistorille.

*

Tehotransistoreita käytetään yleisesti monissa radiotaajuuslaitteissa (RF- « laitteissa) ja -piireissä, joihin kuuluvat myös radiomatkapuhelinten ja radiomatkapuhelinten tukiasemien lähetin-vastaanottimien käsittämät piirit.

10 Antotehon tasaisuus on usein välttämätöntä, jotta laite tai piiri toimisi oikein, ei vain tarkan RF antotehotason varmistamiseksi, vaan myös tehotransistorin itsensä vaurioitumisen välttämiseksi. Yleinen syy antotehon epätasaisuuteen on tehotransistorin tolmintalämpötilan muuttuminen, joka voi johtua tehotransistorin itselämpenemisestä ja muutoksista ympäristön lämpötilassa.

15

Tehotransistorin RF-signaalin oikean vahvistustehon varmistamiseksi on tehotransistori esijännitteistettävä sopivaan "toimintapisteeseen”. Kuviossa 1 on esitetty yksinkertainen esijänniteistämisjärjestelmä, jossa vahvistettava RF-signaali RF_IN kytketään tehotransistori Q1:den ottoon. Vahvistettu RF-signaali 20 RF_OUT otetaan tehotransistorin kollektorilta. Ajotransistori Q2 on myös kytketty tehotransistori Q1:den ottoon esijännitteistämään tehotransistori sopivaan toimintapisteeseen. Lämpötilan muutokset pyrkivät kuitenkin muuttamaan sekä tehotransistorin että ajotransistorin kantaemitterijännitettä, jolloin tehotransistori Q1 :den toimintapiste ja tämän seurauksena vahvistus muuttuvat. Jos emitteri-25 vastus Re on suuri, vahvistuksen ja kollektorivirran kasvua kompensoi yleensä jonkin verran kantaemitterin jännitteen lasku, mikä tasaa tehotransistorin toimintaa jonkin verran. Korkea emitterivastus johtaa kuitenkin suuren tehonmenetykseen vastuksessa, mikä puolestaan vähentää vahvistimen tehoa.

30 Kuviossa 2 esitetään muokattu vahvistin, joka sisältää tyypillisen lämpötilaa kompensoivan esijännitteistämispiirin. Piiri käsittää parin diodeiksi kytkettyä transistoria Q3 ja Q4, jotka on kytketty ajotransistori Q2:den kannan ja maan . väliin. Toimintaperiaate on, että jännitteen lasku kahdessa diodikytketyissä m. A L· 4 2 10561Ί transistorissa Q3 ja Q4 seuraa jännitteenlaskua tehotransistorin ja ajotransistorin Q1 ja Q2 kantaemitteriliitosten yli, ja täten pitää tehotransistorin Q1 jännitteen riittävän tasaisena ja sen toimintapisteen vakiona. Aivan kuten kuvan 1 piirissä lisätasauksen antaa jännitteen lasku emitterivastuksen Re kautta, vaikka tämä 5 vähentääkin vahvistimen tehoa.

Vaikka kuvan 2 kaltainen lämpötilantasauspiiri on yleisesti käytössä, se ei ole ideaalinen. Ensinnä, yleensä säädellystä jänniteestä (esim. syöttöjännitteestä Vsup) generoidun esijännitteen Vbias vaihtelut vaikuttavat olennaisesti 10 tehotransistorin Q1 kollektorivirtaan le. Toiseksi, koska diodeiksi kytkettyjen transistorien Q3 ja Q4 kantaemitterialueet eivät toimi täsmälleen samoissa olosuhteissa kuin tehotransistori ja ajotransistori Q1 ja Q2 (ne eivät esimerkiksi saa RF-ottosignaalia) edellisissä tapahtuva jännitteen lasku ei välttämättä seuraa jälkimmäisten kantaemittereiden jännitteen laskua, vaikka kaikkien neljän 15 transistorin käyttölämpötilat olisivat olennaisesti identtiset. Ongelmaa kärjistävät eri transistorien erot, jotka johtuvat mahdollisestä suurista valmistustoleransseista niissäkin tapauksissa, joissa koko piiri on integroitu yhdelle puolijohdesirulle.

20 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on toteuttaa radiotaajuusvahvistin, jolla vältetään tai ainakin jolla lievennetään yllä mainittuja haittoja. Tämä ja muut tavoitteet saavutetaan lisäämällä säätötransistori, joka on järjestetty johtamaan virtaa, joka on tiheydeltään olennaisesti identtinen vahvistimen tehotransistorin johtaman virran kanssa, ja tuottamalla takaisinkytkentäsignaali tehotransistorin 25 esijännitteistämisen säätämiseen.

Esillä olevan keksinnön ensimmäisen aspektin mukaan toteutetaan radiotaajuusvahvistin, joka käsittää: I « tehotransistorin, jolla on otto vahvistettavan radiosignaalin 30 vastaanottamiseksi ja anto vahvistetun radiosignaalin antamiseksi; säätötransistorin, jonka otto on kytketty mainittuun tehotransistorin ottoon; * « 3 105611 ajotransistorin, jonka anto on kytketty mainitun tehotransistorin ja mainitun säätötransistorin ottoihin säätöesijännitteistämissignaalin saamiseksi tehotransistorille ja säätötransistorille; sekä differentiaalivahvistimen, jonka ensimmäinen otto on kytketty ottosignaaliin, 5 ja jonka anto on kytketty ajotransistorin ottoon ajo-ohjaussignaalin saamiseksi % ajotransistorille, jonka säätötransistorin anto on kytketty differentiaalivahvistimen toiseen ottoon, jossa säätötransistorin anto pyrkii seuraamaan tehotransistorin antoa ja antaa differentiaalivahvistimelle negatiivisen takaisinkytkentäsignaalin.

1°

Esillä olevan keksinnön suoritusmuodot antavat takaisinkytkentäsignaalin säätötransistorin annosta differentiaalivahvistimelle, jolla signaalilla on taipumus ohjata differentiaalivahvistimen antoa, ja siksi myös tehotransistorin säätöesijännitteistämissignaalia pitämään vahvistin olennaisesti 15 muuttumattomassa toimintapisteessä. Esillä oleva keksintö vähentää lämpötilan muutosten vaikutusta vahvistimen toimintapisteeseen.

Edullisesti säätötransistorin ja differentiaalivahvistimen muodostama takaisinkytkentäsilmukka käsittää edelleen alipäästösuodatinvälineet, jotka on 20 järjestetty poistamaan radiotaajuuden vaihtelut, jotka esiintyvät mainitussa säätötransistorin annossa.

Tehotransistorilla voi olla useita konfiguraatioita. Edullisin konfiguraatio koostuu kuitenkin kahdesta tai useammasta rinnankytketystä transistorielementistä.

25

Edullisesti tehotransistori ja säätötransistorit säädetään niin, että aktiivitilassa transistorien läpi kulkevat virrantiheydet ovat oleellisesti samansuuruiset. On vielä suotavampaa, että sekä tehotransistorissa että säätötransistorissa on kummassakin oma kanta- ja emitterivastuksensa, jossa vastusten arvot ovat 30 kääntäen verrannollisia oman transistorinsa aktiivialueeseen.

Edullisesti esillä olevan keksinnön differentiaalivahvistin on emitterikytketty . differentiaalivahvistin.

4 105611

Edullisesti ajotransistorin ja differientaalivahvistimen mainitun toisen oton välille asetetaan tasaava kapasitanssi.

5 Esillä olevan keksinnön suoritusmuodot voivat käsittää vahvistussäätösignaalin, joka on kytketty säätötransistorin mainittuun antoon ja differentiaalivahvistimen mainittuun toiseen ottoon. Vahvistussäätösignaalia voidaan käyttää muuttamaan ajotransistorille annettua käyttösäätösignaalia, ja täten tehotransistorille annettua säätöesijännitteistämissignaalia, jolloin tehotransistorin toimintapistettä 10 muutetaan.

Esillä olevan keksinnön toisen aspektin mukaan toteutetaan menetelmä, jolla vahvistettavaa RF-signaalia ottossaan vastaan ottavan ja vahvistettua RF-signaalia annossaan antavan radiotaajuustransistorin käyttöpiste voidaan tasata, 15 joka menetelmä käsittää: säätöesijännitteistämissignaalin kytkemisen tehotransistorin mainittuun ottoon ja säätötransistorin ottoon; ottosignaalin ja säätötransistorin antosignaalin väliseen eroon olennaisesti verrannollisen erosignaalin luomisen; ja 20 mainitun erosignaalin kytkemisen ajotransistorin ottoon, joka säätöesijännitteistämissignaali on .ajotransistorin antosignaali.

. Esillä olevan keksinnön ymmärtämiseksi paremmin ja käytännön toteutuksen selittämiseksi nyt viitataan esimerkin omaisesti oheisiin piirustuksiin, joissa: 25 Kuvio 1 esittää radiotaajuusvahvistimen ilman lämpötilakompensaatiota;

Kuvio 2 esittää Kuvion 1 mukaisen radiotaajuusvahvistimen, jossa on esillä olevaa keksintöä edeltävän tyyppinen lämpötilakompensaatiopiiri; ja

Kuvio 3 esittää Kuvion 2 mukaisen radiotaajuusvahvistimen, jossa on esillä olevan keksinnön mukaisella tavalla toteutettu lämpötilakompensaatiopiiri.

30 1

Yksinkertainen RF-vahvistin ja tunnettu lämpötilakompensaatiopiiri on kuvattu edellä kuvioihin 1 ja 2 viitaten. Kuvio 3 esittää RF-vahvistimen parannellun . lämpötilakompensaatiopiirin, joka käsittää tehotransistorin Q1 ja ajotransistorin 105611 5 Q2. Ajotransistori Q2 on yksi n-p-n bipolaariliitostransistori, tehotransistorin muodostaa joukko (m kappaletta, jossa m voi olla esim. 48) n-p-n bipolaariliitostransistoria (tai transistorielementtiä), joilla kullakin on sekä emitteri-, että kantavastus ja RF-oton kytkentäkapasitanssi, rinnan kytketyt. Tämä 5 kuvataan kuvion 3 lisäyksessä A.

Lämpötilankompensointipiiri kuviossa 3 käsittää säätötransistorin Qc. Säätötransistori on yksi n-p-n bipoläärinen liitostransistorielementti, joka on olennaisesti identtinen tehotransistorin Q1 muodostavien transistorielementtien 10 kanssa. Täten säätötransistorin Qc aktiivinen alue on 1/m kertaa tehotransistorin Q1 aktiivinen alue. Säätötransistorin Qc kantatehovastus on Rb ja emitterivastus on Re, kun taas tehotransistorin Q1 kantavastus on Rb/m ja emitterivastus Re/m. Säätötransistorin Qc kollektori on yhdistetty reguloituun tasajännitteeseen Vreg kollektorivastuksen R1 kautta.

.15 Säätötransistorin Qc kollektori on myös kytketty differentiaalivahvistimen positiiviseen ottoon. Differentiaalivahvistin käsittää parin emitterikytkettyjä bipolaariliitostransistoreja Qd1 ja Qd2, joiden kollektorit on kytketty reguloituun jännitteeseen Vreg omien kollektorivastustensa kautta, ja on järjestetty 20 tuottamaan antojännitteen Vo transistorin Qd1 ottoon:

Vo = A(V2-V1) jossa V1 ja V2 ovat transistoreissa Qd1 ja Qd2 vallitsevat kantajännitteet ja A on differentiaalivahvistimen vahvistus. V1 luodaan reguloidusta jännitteestä Vreg jännitejakajan kautta.

25

Differentiaalivahvistimen antojännite Vo on kytketty tasausvastuksen R2 kautta ajotransistorin Q2 kantaan. Ajotransistorin Q2 kollektori on puolestaan kytketty virtalähteeseen Vsup. Ajotransistorin kanta on myös kytketty transistorin Qd2 kantaan tasauskapasitanssin C1 kautta. Ajotransistori Q2 on kytketty 30 tehotransistorin Q1 ja säätötransistorin Qc kantoihin omien kantavastusten kautta esijännitteistämissignaalin aikaansaamiseksi molemmille transistoreille.

* 6 105611

Aktiivisen alueen, kantavastuksen ja emitterivastuksen suhteutetun koon vuoksi tehotransistorin Q1 ja säätövastuksen Qc välillä virtatiheydet molempien transistorien kanta-emitteri- ja kollektori-emitteri-väleillä on olennaisesti sama. Tehotransistorin Q1 kollektorivirrassa tapahtuvien esimerkiksi lämpövaikutuksen 5 aikaansaamien muutosten voidaan odottaa heijastuvan säätötransistorin Qc kollektorivirtaan m kertaa pienempinä.

Otettakoon esimerkiksi tilanne, jossa tehotransistorin Q1 lämpötila nousee jonkin ajan käytön jälkeen, jolloin tehotransistorin kollektorivirta ja näin ollen sen RF-10 vahvistus nousee ja poikkeaa halutusta toimintapisteestä. Säätötransistorin Qc kollektorivirta nousee suhteessa tehotransistorin kollektorivirtaan, jolloin tehotransistorin kollektorijännite laskee (koska jännitteenlasku kpllektorivastuksessa R1 lisääntyy). Koska tämä kollektorijännite antaa ottojännitteen M2 differentiaalivahvistimelle, sen antojännite Vo laskee.

15 Ajotransistorille Q2 annettava kantavilla heikkenee, ja tällöin tehotransistorille ja säätötransistolle annettavat esijännitevirrat heikkenevät, jolloin näiden transistorien vahvistus vähenee.

Säätötransistori ja differentiaalivahvistin antavat täten negatiivisen 20 takaisinsyötetyn säätösignaalin ajotransistorille Q2, jolla on taipumus kompensoida tehotransistorin Q1 ominaisuuksissa tapahtuvia muutoksia, jotka muutoin saisivat tehotransistorin vahvistuksen vaihtelemaan. Piirin passiiviset komponentit valitaan siten, että piirin oikea toiminta taataan. Erityisesti tasausvastukset R2 ja G1 valitaan ja järjestetään tasaamaan 25 takaisinkytkentäsilmukan toiminta ja erityisesti poistamaan säätötransistorin Qc kollektorissa tapahtuvien korkeataajuisten vaihteluiden vaikutukset piirin silti pystyessä reagoimaan nopeasti antomuutoksiin. Komponentit voidaan valita esimerkiksi tietokonesimulaatioiden avulla.

«· p 30 Kuvion 3 esittämän piirin tärkeä ja yllättävä etu on se, että tehotransistorin Q1 emitterivastus (Re/m) voi olla kuvioissa 1 ja 2 esitettyihin tunnettuihin piireihin verrattuna pieni. Jopa tehotransistorin elemettien emitterit maahan kytkevien sidosjohtojen vastus, tai jopa loisvastukset voivat olla riittävät (virran ’’ahmimisen" 4 7 105611 välttämiseksi). Tämä johtuu siitä ettei enää tarvita suurta lämpötilaa kompensoivaa emitterivastusta. Kuvion 3 piiri johtaa emitterivastuksessa tapahtuvan tehohäviön pienentymiseen ja vahvistimen hyötysuhteen paranemiseen.

5 t

Kuvio 3 esittää myös valinnaisen vahvistuksen säädön annon, jossa vahvistuksen säätöjännite Vpc johdetaan säätötransistorin Qc kollektoriin vastuksen R3 kautta. Jännitteellä Vpc on taipumus kasvattaa differentiaalivahvistimen antojännitettä V2, jolloin ajotransistorin Q2 10 esijännitteistämisvirta voimistuu. Tehotransistorin Q1 RF-vahvistus kasvaa täten.

Kuvion 3 piiri voidaan toteuttaa erilliskomponenteilla, mutta edullisesti se integroidaan yksittäiselle puolijohdesirulle. Tämän järjestelyn etu on, että eri komponenttien, erityisesti tehotransistorin ja säätötransistorin, 15 toimintalämpötiloilla on taipumus tasoittua. Edulliseen järjestelyyn kuuluu tehotransistorin transistorielementtien järjestäminen ’’yhteisen keskiön” (common centroid) geometrian mukaan ja säätötransistorin järjestäminen heti tehotransistorin transistorielementtien viereen tai niiden väliin.

20 Alan ammattimiehelle on selvää, että ylläkuvattuihin toteutuksiin voidaan tehdä erilaisia muutoksia siirtymättä pois esillä olevan keksinnön piiristä. Esillä olevaa keksintöä voidaan esimerkiksi käyttää tasaamaan rinnankytketyistä FET-elementeistä koostuvan kanavaransistorin (FET), kuten metallioksidipuolijohde-FET (MOSFET) tai metallipuolijohde-FET (MESFET) ominaisuuksia. Tasaus 25 saadaan aikaan käyttämällä vahvistusta säätävää FET:tä, joka on osa negatiivista takaisinkytkentäsilmukkaa. Säätö-FET:n konfiguraatio ja järjestely ovat sellaiset, että nielu-lähde-virrantiheys on olennaisesti sama kuin teho-FET:ssä.

• · ) m m

Claims (9)

1. Radiotaajuusvahvistin, joka käsittää: Tehotransistorin, jossa on otto vahvistettavan radiotaajuussignaalin vastaanottamiseksi ja anto vahvistetun radiotaajuussignaalin lähettämiseksi 5 tunnettu siitä, että käsittää lisäksi: säätötransistorin, jonka otto on kytketty tehotransistorin mainittuun ottoon; ajotransistorin, jonka anto on kytketty tehotransistorin ja säätötransistorin ottoihin, ja joka ajotransistori antaa 10 säätöesijänniteistämissignaalin tehotransistorille ja säätötransistorille; ja differentiaalivahvistimen, jonka ensimmäinen otto on kytketty ottosignaaliin ja anto ajotransistorin ottoon antamaan käyttösäätösignäalih ajotransistorille, ja että säätötransistorin, anto on kytketty differentiaalivahvistimen toiseen 15 ottoon, jossa säätötransistorin anto pyrkii seuraamaan tehotransistorin antoa ja tuottaa negatiivisen takaisinkytkentäsignaalin differentiaalivahvistimelle.

2. Vaatimuksen 1 mukainen radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että se 20 käsittää alipäästösuodatinvälineet, jotka on järjestetty poistamaan radiotaajuuden vaihteluiden aiheuttamat häiriöt, joita esiintyy säätötransistorin mainitussa annossa mainitun negatiivisen takaisinkytkentäsignaalin takia.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että sen käsittämä tehotransistori koostuu kahdesta tai useammasta rinnankytketystä transistorielementistä.

4. Minkä tahansa edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen 30 · radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että tehotransistori ja säätötransistori on konfiguroitu niin, että aktiivitilassa virtatiheys transistorien läpi on olennaisesti samansuuruinen. 9 105611

5. Minkä tahansa edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen .radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että tehotransistori ja säätötransistori T on järjestetty omine kanta- ja emitteriresistansseineen, joiden arvot ovat 5 kääntäen verrannolliset vastaavien transistoreiden aktiiviseen alaan.

6. Minkä tahansa edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että sen käsittämä differentiaali-vahvistin on emitterikytketty differentiaalivahvistin.

7. Minkä tahansa edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että ajotransistorin oton ja differentiaalivahvistimen mainitun toisen oton väliin on järjestetty tasaava kapasitanssi. 15

8. Minkä tahansa edellä esitetyn patenttivaatimuksen mukainen radiotaajuusvahvistin, tunnettu siitä, että säätötransistorin mainittuun antoon ja differentiaalivahvistimen mainittuun toiseen otton on kytketty vahvistuksensäätösignaaii. 20

8 105611

9. Menetelmä radiotaajuustehotransistorin toimintapisteen stabiloimiseksi, joka tehotransistori vastaanottaa ottoonsa vahvistettavan RF-signaalin vastaanottavan ja antaa antoonsa vahvistetun RF-signaalin, tunnettu siitä, että menetelmä käsittää: 25 säätöesijännitteistämissignaalin kytkemisen tehotransistorin mainittuun ottoon ja säätötransistorin ottoon; erosign^alin luomisen, joka erosignaali on olennaisesti • . verrannollinen ottosignaalin ja säätötransistorin antosignaalin väliseen eroon ja 30 mainitun erosignaalin kytkemisen ajotransistorin ottoon, joka mainittu säätöesijännitteistämissignaali on ajotransistorin antosignaali. - i C 4 ΊΟ ,, Λ _ 105611