DE4119738A1 - Hochfrequenz-generator - Google Patents
Hochfrequenz-generatorInfo
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- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- 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 mit
einer einen Eingang und einen Ausgang aufweisenden Ver
stärkerschaltung mit einem Verstärkungsfaktor, einer
Rückkopplungsschaltung, die einen mit dem Ausgang der
Verstärkerschaltung gekoppelten Eingang und einen mit
dem Eingang der Verstärkerschaltung gekoppelten Ausgang
aufweist und mit einem Rückkoppelverstärkungsfaktor
versehen ist, der größer oder gleich dem Kehrwert des
Verstärkungsfaktors der Verstärkerschaltung ist. Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum hochfrequenten
Tasten oder Pulsen (Erzeugen und Unterdrücken) des Aus
gangsspannungssignals eines rückgekoppelten, frei
schwingenden Hochfrequenz-Generators mit einem MOSFET-
Verstärkungstransistor.
Mit Hochfrequenz-Generatoren der eingangs genannten Art
werden unter anderem Laser oder andere plasmaerzeugende
Verbraucher angesteuert. Das Einsatzgebiet derartiger
Verbraucher ist beispielsweise die Medizintechnik oder
die Fertigungstechnik. Hier ist es oftmals wünschens
wert, die von dem Hochfrequenz-Generator erzeugte Hoch
frequenz-Energie im zeitlichen Verlauf mit variablem
Tastverhältnis 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 schwingheiß 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. Da der nach
dem Verstärkerkonzept aufgebaute Hochfrequenz-Generator
mehrere hintereinandergeschaltete Verstärkerstufen auf
weist, addiert sich die Einschwingzeit zu "beträcht
lichen" Werten auf, die ein Tasten im 100 KHz-Bereich
nicht erlaubt.
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 Verstärker
endstufe, die aber nicht als Endverstärker arbeitet,
sondern deren Ausgang mit dem Eingang durch ein
(frequenzselektives) Rückkopplungsnetzwerk rückgekop
pelt ist. Während der Endverstärker den Verstärkungs
faktor v aufweist, ist die Verstärkung des Rückkopp
lungsnetzwerkes auf den Wert k eingestellt, wobei
k × v < 1
gilt. Ist die Oszillator-Rückkoppelbedingung für die
Frequenz, bei der 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 dem Schirmgitter. Bei
einer derartigen Modulation der Betriebsspannung ist
die Tastfrequenz (Modulationsfrequenz) wegen der "lang
samen" Bauelemente recht gering. Bei Mehrelektroden
röhren ist dagegen durch Tastung eines Steuergitters
eine schnellere Pulsung möglich, die bis zu 10 KHz be
tragen kann. Bei Leistungshalbleitern wie Transistoren
oder Power-MOSFET-Transistoren fehlt eine derartige für
den Pulsbetrieb geeignete Steuerelektrode. Der Wir
kungsgrad eines freischwingenden Generators ist höher
als derjenige eines nach dem Verstärkerkonzept aufge
bauten Generators, da die Endstufe stets in der Sätti
gung betrieben wird und keine leistungsbeanspruchenden
Treiberstufen nötig sind, während beim Verstärkerkon
zept-Generator wegen der diversen Treiberstufen der
Gesamtwirkungsgrad schlechter ist als der Wirkungsgrad
der Endstufe selber.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hoch
frequenz-Generator zu schaffen, bei dem sich trotz Ver
wendung von Halbleiterbauelementen hohe Modulations
frequenzen der Hochfrequenz-Ausgangsleistung bei opti
malem Wirkungsgrad des Hochfrequenz-Generators reali
sieren lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein
Hochfrequenz-Generator vorgeschlagen, der eine Verstär
kerschaltung aufweist, deren Ausgang mit dem Eingang
einer Rückkopplungsschaltung (direkt oder indirekt)
gekoppelt ist, deren Ausgang wiederum mit dem Eingang
der Verstärkerschaltung (ebenfalls direkt oder in
direkt) gekoppelt ist. Während die Verstärkerschaltung
eine Verstärkung v aufweist, ist die Rückkopplungs
schaltung auf eine Verstärkung von k eingestellt. Bei
(nach Betrag und Phase) erfüllter Rückkopplungsbedin
gung schwingt der Hochfrequenz-Generator bei seiner
Ausgangsfrequenz. Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-
Generator ist mit einem Power-MOSFET-Verstärkungs
transistor versehen, der im wesentlichen die Verstär
kerschaltung darstellt. Dem Steuer-(Gate-)Eingang des
MOSFET-Verstärkungstransistors werden abwechselnd Zünd- und
Löschimpulse vorzugsweise unterschiedlicher Polari
tät zugeführt. Mit den Zündimpulsen wird an das Gate
des MOSFET-Transistors eine Spannung angelegt, die be
trächtlich 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 der zuvor leitende Transistor in
seinen nicht-leitenden Zustand übergeht. Die Impuls
dauer sowohl der Zünd- als auch der Löschimpulse ist
jeweils größer als die Einschwing- und/oder die Aus
schwingzeitdauer der Verstärkerschaltung.
Für die Verstärkerschaltung (Endstufe) des erfindungs
gemäßen Hochfrequenz-Generators wird ein Power-MOSFET-
Transistor verwendet; derartige Transistoren lassen
sich sowohl in konventionellen als auch in Hochfrequenz
geeigneten Bauformen zur Erzeugung von Hochfrequenz
energie im Bereich zwischen 1 bis 1000 MHz ideal ein
setzen. Wie bei Bipolar-Transistoren fehlt auch bei
MOSFET-Transistoren eine Steuerelektrode zur Modulation
bzw. Pulsung oder Tastung. Durch Tastung der Betriebs
spannungsenergie 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 über
führen. 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 Verstärkungs
faktor v. Da der Zündimpuls den MOSFET-Transistor voll
kommen 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
Spannungssignals 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 Tast
frequenzen von vielen zig KHz leicht erreicht werden.
Bei einem im Laborbetrieb praktisch aufgebauten Gene
rator mit einer Ausgangsspannung im 100 MHz-Bereich
konnten Tastfrequenzen von über 100 KHz erreicht wer
den. Die Anstiegs- und Abfallzeiten der Hochfrequenz
Hüllkurve des Ausgangssignals liegen dabei jeweils
unter einer Mikrosekunde, was mit herkömmlichen Schal
tungen bisher nicht erreicht werden konnte. Die Breite
der hierbei verwendeten Zünd- und Löschimpulse liegt im
Mikrosekunden-Bereich. Diese extrem kurzen (Trigger-)
Impulse führen nicht zu einer thermischen Vernichtung
des MOSFET-Transistors, obwohl wegen der Vollaussteue
rung des MOSFET-Transistors bei Zündspannungen von 10
Volt und mehr extrem hohe Ströme fließen. Aufgrund
dieser kurzzeitigen Vollaussteuerung (oder Vollsper
rung) des MOSFET-Transistors schwingt dieser schnellst
möglich an (ab), wobei die Einschwingzeiten (Aus
schwingzeiten) lediglich durch die Form der Trigger
impulse und den Gütefaktor des (nachgeschalteten)
Induktivität-Kapazität-Schwingkreises begrenzt ist (Be
triebsgüte Q). Bei Einsatz eines MOSFET-Verstärkungs
transistor betragen die Einschwing- und Ausschwing
zeiten etwa das Zwei- bis Fünffache der Periodendauer
des Hochfrequenz-Ausgangssignals 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.
Vorteilhafterweise betragen die Zünd- und die Lösch
spannungen betragsmäßig ein Vielfaches der Gate
Schwellwertspannung des MOSFET-Verstärkungstransistors,
wobei bezüglich des Betrages der Löschspannung ferner
gilt, daß diese deutlich größer ist als die Summe aus
der Scheitelspannung des zu verstärkenden Spannungs
signals und der Gate-Schwellwertspannung. Bei Einhal
tung dieser Bedingungen ist stets ein zuverlässiges Zün
den und ein zuverlässiges Löschen des MOSFET-Transis
tors gegeben, mit der Folge, daß der MOSFET-Transistor
aus seinem Sperrzustand in den leitenden Zustand und
danach aus dem leitenden Zustand wieder in den Sperrzu
stand überführt wird.
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-
Transistor auch dann ausgeschaltet, wenn der Lösch
spannungsimpuls 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 (Rück
wärtsverstärkung), 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 fST 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 (10)
1. Hochfrequenz-Generator mit
- - einer einen Eingang (30) und einen Ausgang (12) aufweisenden Verstärkerschaltung (16) mit einem Verstärkungsfaktor,
- - 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 die Verstärkerschaltung (16) zum Verstärken des Eingangssignals einen MOSFET-Verstärkungs transistor (38) aufweist und
- - daß dem Steuereingang (36) des MOSFET-Verstär kungstransistors (38) abwechselnd Zündspan nungen liefernde Zündimpulse (52) und Lösch spannungen liefernde Löschimpulse (54) zuge führt werden,
- - wobei die Zündspannung derart gewählt ist, daß der MOSFET-Verstärkungstransistor (38) in den leitenden Zustand übergeht, und die Löschspan nung derart gewählt ist, daß der leitende MOSFET-Verstärkungstransistor (38) bei an seinem Steuereingang (36) anliegendem zu ver stärkenden Spannungssignal (56) in den nicht leitenden Zustand übergeht, und
- - wobei die Impulsdauer der Zünd- und der Lösch impulse (52, 54) größer ist als die Einschwing- und die Ausschwingzeitdauer (TEIN, TAUS) der rückgekoppelten Verstärkerschaltung (16).
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 die Zünd- und die Löschspannungen
betragsmäßig ein Vielfaches der Gate-Schwellwert
spannung des MOSFET-Verstärkungstransistors (38)
betragen.
4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet, daß dem Steuereingang (36)
des MOSFET-Verstärkungstransistors (38) ein
Arbeitspunkt-Ruhestrom nicht zugeführt wird.
5. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Zünd- und die Lösch
impulse (52, 54) jeweils mindestens bis zu zehnmal
so groß sind wie die Einschwing- oder Ausschwing
zeitdauer (TEIN, TAUS) der rückgekoppelten Verstär
kerschaltung (16).
6. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß die Zünd- und die Lösch
impulse jeweils Nadelimpulse sind, deren Zeitver
lauf derart ist, daß die Zündspannung und die
Löschspannung jeweils für eine Zeitdauer anliegen,
die mindestens bis zu fünfmal so lang ist wie die
Einschwing- oder die Ausschwingzeitdauer (TEIN,
TAUS) der rückgekoppelten Verstärkerschaltung
(16).
7. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Nadelimpulse durch Differenzierung eines
Rechteck-Spannungssignals (49) erzeugt werden.
8. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Zünd- und
der Löschimpulse (52, 54) einstellbar ist.
9. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Zünd- und Lösch
impulse (52, 54) einander entgegengesetzte Polari
täten aufweisen.
10. Verfahren zum hochfrequenten Erzeugen und Unter
drücken des Ausgangsspannungssignals eines rückge
koppelten, freischwingenden Hochfrequenz-Generators
mit einem MOSFET-Verstärkungstransistor, bei dem
- - der MOSFET-Verstärkungstransistor (38) ab wechselnd durch kurzzeitiges impulsartiges An legen einer ein Mehrfaches der Gate-Schwell wertspannung betragenden Zündspannung in den leitenden Zustand und durch kurzzeitiges impulsartiges Anlegen einer zur Zündspannung entgegengesetzte Polarität aufweisenden Lösch spannung, die betragsmäßig größer ist als die Summe aus der Scheitelspannung des zu verstär kenden Signals (56) und der Gate-Schwellwert spannung aus dem leitenden Zustand in den Sperrzustand gebracht wird 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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US7046088B2 (en) | 2002-03-12 | 2006-05-16 | Huettinger Elektronik Gmbh & Co. | Power amplifier |
DE102016223312A1 (de) * | 2016-11-24 | 2018-05-24 | Audi Ag | Leistungshalbleiterbaugruppe für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Leistungshalbleiterbaugruppe |
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1991
- 1991-06-15 DE DE4119738A patent/DE4119738C2/de not_active Expired - Fee Related
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DE4119738C2 (de) | 1995-05-11 |
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