DE69003908T2 - Verstärker mit hohem Wirkungsgrad. - Google Patents

Verstärker mit hohem Wirkungsgrad.

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DE69003908T2
DE69003908T2 DE90402236T DE69003908T DE69003908T2 DE 69003908 T2 DE69003908 T2 DE 69003908T2 DE 90402236 T DE90402236 T DE 90402236T DE 69003908 T DE69003908 T DE 69003908T DE 69003908 T2 DE69003908 T2 DE 69003908T2
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    • H03F1/34Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback
    • H03F1/342Negative-feedback-circuit arrangements with or without positive feedback in field-effect transistor amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/189High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers
    • H03F3/19High-frequency amplifiers, e.g. radio frequency amplifiers with semiconductor devices only
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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstärkerstruktur und insbesondere auf die eines Höchstfrequenzverstärkers. Sie stellt eine Verbesserung dar, die dazu bestimmt ist, den elektrischen Wirkungsgrad des Verstärkers zu erhöhen.
  • Die Erhöhung des elektrischen Wirkungsgrades von Verstärkern mit Feldeffekttransistoren ist für derzeitige und zukünftige elektronische Systeme wegen der Erhöhung der Anzahl von Schaltungen unbedingt erforderlich. Diese Leistungsverbesserungen ergeben sich wegen:
  • - der Verbesserung der Herstellungstechnologie der Transistoren,
  • - der Verringerung der Verluste passiver Anpassungsschaltungen,
  • - der Optimierung des Vorspannungspunkts der Transistoren durch Ändern der Funktionsklasse.
  • Es ist dieser letzte Punkt, auf den sich die im Patentanspruch 1 definierte Erfindung bezieht.
  • Es ist bekannt, daß die Kenngrößen eines unterhalb seiner Abschnürspannung vorgespannten Transistors nicht reproduzierbar sind. Sie hängen von der Herstellungstechnologie des Bauelements ab und werden von keinem Hersteller garantiert.
  • Es ist auch bekannt, daß beim Anlegen einer Spannung mit sehr hohem Absolutwert an den Gate-Anschluß eines Feldeffekttransistors dieser eine Art Hysterese erfährt: wenn die Gate-Spannung auf einen Wert zurückkehrt, der zwischen der Abschnürspannung und der maximalen Gate-Spannung liegt, reagiert der Transistor nicht sofort. Er bleibt für eine gewisse Zeitperiode gesperrt, in deren Verlauf das Eingangssignal nicht verstärkt wird, was somit einer Verringerung des Wirkungsgrades und einem unnützen Energieverbrauch führt.
  • Das Ziel der Erfindung ist es somit, in die Struktur eines Verstärkers Mittel einzuführen, die die an den Gate-Anschluß angelegte Spannung auf Werte zwischen der Durchbruchspannung und maximalen Gate-Spannung grenzen, so daß der Transistor ständig mit genau kontrollierten Kenngrößen arbeitet. Diese Begrenzung der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung kann auf verschiedene Arten erhalten werden, etwa mittels einer Diode, die für die negative Phase des Signals einen Kurzschluß bildet oder mittels einer für die zweite Harmonische als Gegenkopplung wirkenden Schaltung.
  • Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Verstärker mit hohem Wirkungsgrad mit wenigstens einem Feldeffekttransistor, einem Eingangsvierpol zum Anpassen des Eingangssignals, der mit dem Gate-Anschluß des Transistors verbunden ist, und einem Ausgangsvierpol, der mit dem Drain-Anschluß des Transistors verbunden ist, dessen Source-Anschluß an Masse liegt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er Mittel zum Begrenzen der Abweichung der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung auf Werte zwischen der Abschnürspannung Vp des Transistors und der maximalen positiven Gate-Spannung VGSmax enthält.
  • Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen, die anhand der anliegend beigefügten Figuren dargelegt werden, die zeigen:
  • - Fig. 1 statische Kennlinien eines Feldeffekttransistors gemäß dem Stand der Technik,
  • - Fig. 2 das Schaltbild eines Verstärkers, der mit einem ersten Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades nach der Erfindung ausgestattet ist,
  • - Fig. 3 Kurven der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung für den Fall der Schaltung der vorhergehenden Figur,
  • - Fig. 4 das Schaltbild eines Verstärkers, der mit einem zweiten Mittel zur Verbesserung des Wirkungsgrades nach der Erfindung ausgestattet ist,
  • - Fig. 5 die Form der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung für den Fall der Schaltung der vorhergehenden Figur.
  • Fig. 1 zeigt die vereinfachten statischen Kennlinien eines Transistors: sie gibt das Zeitverhalten von Spannungen und Strömen an, wenn eine Spannung
  • VGS = VGSO + VGS1 cosωt
  • zwischen dem Gate-Anschluß und dem Source-Anschluß angelegt wird. In dieser Figur sind:
  • - IDS = Drain-Source-Strom
  • - VDS = Drain-Source-Spannung
  • - VGSo = Gleichvorspannung des Gate-Anschlusses
  • - VDSo = Gleichvorspannung am Drain-Anschluß
  • - Vp = Abschnürspannung
  • - t = Zeit
  • θ repräsentiert für ein an den Gate-Anschluß angelegtes Wechselsignal den Öffnungs- oder Leitungswinkel des Transistors: entspricht dem Zeitintervall, in dessen Verlauf der Drain-Strom IDS nicht Null ist (rechts in der Figur).
  • Der elektrische Wirkungsgrad eines Transistors kann auf zwei Arten ausgedrückt werden.
  • Der Drain-Wirkungsgrad ηD ist gleich dem Verhältnis der Ausgangsleistung bei der Anwendungsfreguenz zu der von den Generatoren eingespeisten Leistung:
  • Dieser Wirkungsgrad ist um so größer, je kleiner der Öffnungswinkel ist.
  • Der Wirkungsgrad ηaj der hinzugefügten Leistung leitet sich daraus unter Berücksichtigung der am Eingang des Transistors bei der Frequenz eingegebenen Leistung ab:
  • wobei ηaj von der Verstärkung G des Transistors abhängt:
  • Das angestrebte Ziel ist es, den Wirkungsgrad ηaj der hinzugefügten Leistung zu erhöhen, jedoch begegnet diese Erhöhung drei Einschränkungen.
  • Die erste Einschränkung betrifft die Abhängigkeit des Wirkungsgrades im Verhältnis zum Verstärkungsfaktor. Damit der Drain-Wirkungsgrad ηD größer wird, also der Öffnungswinkel abnimmt, muß an dem Gate-Anschluß des Transistors eine höhere Spannung, also eine höhere Eingangsleistung PE(ω) angelegt werden, die ηaj herabsetzt. Es gibt somit einen optimalen Öffnungswinkel θ für einen Transistor.
  • Die zweite Einschränkung leitet sich aus dem Betrieb des Transistors unterhalb seiner Abschnürspannung ab. Wie oben bereits angegeben wurde, werden die Kenngrößen eines Transistors in dieser Zone der Betriebsart nämlich von keinem Hersteller garantiert. Sie hängen von der Herstellungstechnologie des Transistors ab und sind nicht reproduzierbar. Wenn außerdem das an den Gate-Anschluß angelegte Eingangssignal sehr viel kleiner als die Abschnürspannung ist, beispielsweise - 2 Vp oder - 3 Vp, nimmt der Transistor seine normale Arbeitsweise nicht auf, sobald das Signal wieder größer als Vp wird: es tritt eine gewisse Verzögerung auf, in der der Transistor nicht arbeitet, was den Wirkungsgrad verschlechtert.
  • Die dritte Einschränkung betrifft ebenfalls die Arbeitsweise unterhalb der Abschnürspannung Vp; sie ist mit dem Ausgangsleistungspegel verbunden. Wenn in Fig. 1 die Änderungen von VGS und VDS in Abhängigkeit von der Zeit T betrachtet werden, ist zu erkennen, daß sie gegenphasig sind. Bei einer maximalen Ausgangsleistung nimmt die Abweichung von VGD (Gate-Drain-Spannung) zu, wenn der Absolutwert von VGS größer wird, jedoch ist sie durch ein Lawinenphänomen begrenzt. Es ergibt sich
  • VGDmax = VGS + VDS cste
  • Wenn VGS größer wird, um den Öffnungswinkel zu verkleinern und den Wirkungsgrad zu verbessern, muß VDS abnehmen: in diesem Fall nimmt die Ausgangsleistung ab. Die Erfindung schlägt zwei Mittel vor, um diese drei Einschränkungen zu vermeiden. Das erste Mittel ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Es kann angenommen werden, daß ein Verstärker im wesentlichen ein Feldeffekttransistor 1 ist. Er ist Teil einer Schaltung mit einem an seinem Gate-Anschluß angeschlossenen Vierpol 2 und einem an seinem Drain-Anschluß angeschlossenen Vierpol 3, wenn der Transistor in Source-Schaltung geschaltet ist.
  • Das Höchstfrequenz-Eingangssignal wird an den Eingang E dieses Vierpols angelegt, jedoch wird auch eine Gleichvorspannung VGo, die einen Wert nahe der Abschnürspannung Vp hat, an dem Gate-Anschluß des Transistors 1 angelegt. Ein Schaltungsteil aus einer Drossel 4 und einer Kapazität 5 dient als Höchstfrequenzfilter, damit die Gleichspannungsversorgung nicht gestört wird.
  • Die Erfindung besteht darin, in die Eingangsanpassungsschaltung des Transistors 1 eine Diode 6 einzufügen, die in Richtung von Masse zur Eingangsklemme geschaltet ist. Diese Diode schließt jedes Eingangssignal kurz, wenn die Spannung, die es am Gate-Anschluß erzeugt, kleiner als die Abschnürspannung Vp wird. Anders ausgedrückt bewirkt die Eingangschaltung des Transistors 1 während der positiven Halbperiode der Gate-Spannung keine Änderung, während sie während der negativen Halbperiode zu einem Kurzschluß führt.
  • Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Bei einer Spannung VGS (t), die sich beispielsweise zwischen 0 und - 2 Vp ändert, ist die Kurve 7 ohne die Diode 6 eine Sinuskurve, die einen negativen Abschnitt hat. Mit einer Diode 6 bleibt von der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung nur der positive Teil 8 übrig. Nur ein Teil 9 dieser Spannung ist ein wenig kleiner als Vp: dies entspricht der Durchlaßschwellenspannung der Diode 6.
  • Die passiven Elemente des Eingangsvierpols QE sind so berechnet, daß die von der Diode erzeugten Harmonischen sich am Gate-Anschluß des Transistors zu den guten Phasen und Amplituden des Signals addieren.
  • Der Vorteil der Diode besteht darin, daß die in den Transistor einzugebende Leistung auf den positiven Bereich des Eingangssignals beschränkt ist. Sie ist mit Diode zweimal niedriger als ohne Diode. Wenn der Transistor unterhalb seiner Abschnürspannung Vp nicht benutzt wird, ist sein Verhalten gut bekannt, und da die Amplitude der Spannung VGS die gleiche wie in der Klasse A ist, kann die maximale Ausgangsleistung erzielt werden.
  • Das zweite Mittel ist in Fig. 4 dargestellt, in der das vereinfachte Schaltbild eines Verstärkers aus einem Transistor 1 aufgegriffen wird, der an seinem Gate-Anschluß mit einem Eingangsvierpol 2 und an seinem Drain-Anschluß mit einem Ausgangsvierpol 3 verbunden ist. Zum Verbessern seines Wirkungsgrades ist zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Transistors eine Gegenkopplungsschleife 10 für die zweite Harmonische geschaltet. Diese Schleife greift am Drain-Anschluß des Transistors die zweite Harmonische ab, die natürlich erzeugt wird, und sie speist sie am Gate-Anschluß wieder ein. Diese Gegenkopplungsschleife ist an sich bekannt und besteht aus Widerständen, Induktivitäten und Kapazitäten.
  • Die Spannung, die an den Gate-Anschluß des Transistors angelegt werden soll, hat als Fourrier-Reihe die in Fig. 5 dargestellte Form:
  • VGS (t) = Vp [fo (θ) + f&sub1; (θ) cos ωt + f&sub2; (θ) cos 2ωt + ...]
  • in der:
  • - fo (θ) Vp die Amplitude der Gleichvorspannung am Gate-Anschluß ist,
  • - f&sub1; (θ) Vp die Amplitude der Spannung mit der Frequenz ω, ist, die durch die am Gate-Anschluß einzugebende Leistung erzeugt wird,
  • - f&sub2; (θ) Vp die Amplitude der Spannung mit der Frequenz 2ω ist.
  • Der Ausgangsstrom IDS des Transistors ist nicht sinusförmig: er erzeugt stets Harmonische. Es ist dabei vorteilhaft, diese Energie der zweiten Harmonischen 2ω wiederzugewinnen und sie in den Eingang des Transistors einzuspeisen.
  • Die Auslenkung der Spannung VGS wird in gleicher Weise mit einer Diode am Eingang begrenzt, jedoch erhöht die Gegenkopplungsschaltung für die zweite Harmonische den Wirkungsgrad ηaj der hinzugefügten Leistung, da ein Teil der Ausgangsleistung wiedergewonnen wird, der ohne Gegenkopplung verlorengeht.
  • Die zwei Mittel zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines Verstärkers können gleichzeitig verwendet werden.

Claims (3)

1. Verstärker mit hohem Wirkungsgrad mit wenigstens einem Feldeffekttransistor (1), einem Eingangsvierpol (2) zum Anpassen des Eingangssignals (E), der mit dem Gate-Anschluß des Transistors (1) verbunden ist, und einem Ausgangsvierpol (3), der mit dem Drain-Anschluß des Transistors (1) verbunden ist, dessen Source-Anschluß an Masse liegt, wobei der Verstärker dadurch gekennzeichnet ist, daß er Mittel (6, 10) zum Begrenzen der Abweichung der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung auf Werte zwischen der Abschnürspannung Vp des Transistors (1) und der maximalen positiven Gate-Spannung VGSmax enthält.
2. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Begrenzen der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung eine Diode (6) in dem Eingangsvierpol (2) ist, die für die negativen Halbperioden des Eingangssignals (E) einen Kurzschluß bildet.
3. Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Begrenzen der an den Gate-Anschluß angelegten Spannung eine Gegenkopplungsschaltung (10) bei der zweiten Harmonischen ist, die diese zweite Harmonische vom Ausgangsvierpol (3) abnimmt und in den Eingangsvierpol (2) einspeist.
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