RU2591013C2 - Circuit device for control of field-effect transistor with barrier layer - Google Patents

Circuit device for control of field-effect transistor with barrier layer Download PDF

Info

Publication number
RU2591013C2
RU2591013C2 RU2012101462/08A RU2012101462A RU2591013C2 RU 2591013 C2 RU2591013 C2 RU 2591013C2 RU 2012101462/08 A RU2012101462/08 A RU 2012101462/08A RU 2012101462 A RU2012101462 A RU 2012101462A RU 2591013 C2 RU2591013 C2 RU 2591013C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
terminal
effect transistor
gate
circuit device
field
Prior art date
Application number
RU2012101462/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2012101462A (en
Inventor
Оливер ХАЙД
Original Assignee
Сименс Акцингезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акцингезелльшафт filed Critical Сименс Акцингезелльшафт
Publication of RU2012101462A publication Critical patent/RU2012101462A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2591013C2 publication Critical patent/RU2591013C2/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/04—Modifications for accelerating switching
    • H03K17/041—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit
    • H03K17/0412—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit
    • H03K17/04123—Modifications for accelerating switching without feedback from the output circuit to the control circuit by measures taken in the control circuit in field-effect transistor switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
    • H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/217—Class D power amplifiers; Switching amplifiers
    • H03F3/2176—Class E amplifiers
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01—Shaping pulses
    • H03K5/04—Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration
    • H03K5/07—Shaping pulses by increasing duration; by decreasing duration by the use of resonant circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K5/00—Manipulating of pulses not covered by one of the other main groups of this subclass
    • H03K5/01—Shaping pulses
    • H03K5/12—Shaping pulses by steepening leading or trailing edges

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: electronic equipment.
SUBSTANCE: invention relates to a device for control of field transistor with barrier layer. Circuit device for control of field transistor with barrier layer comprises field-effect transistor, which has a terminal gate and contact source, an exciter, which is configured to generate voltage signal with frequency, also includes a four-terminal element, which is connected with exciter input terminal and connected to the output of the gate output terminal and has a transfer function, which has a pole at odd multiple established frequency.
EFFECT: reduced power losses due to reduced time of transition between phase locking and conductivity field-effect transistor.
10 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к схемному устройству для управления полевым транзистором с запирающим слоем согласно родовому понятию пункта 1 формулы изобретения, способу управления полевым транзистором с запирающим слоем согласно родовому понятию пункта 7 формулы изобретения, а также усилителю для усиления электрического сигнала согласно родовому понятию пункта 9 формулы изобретения.The invention relates to a circuit device for controlling a field-effect transistor with a locking layer according to the generic concept of claim 1, a method for controlling a field-effect transistor with a locking layer according to the generic concept of claim 7, and an amplifier for amplifying an electric signal according to the generic concept of claim 9.

Полевые транзисторы с запирающим слоем (JFET) известны из уровня техники. Полевые транзисторы являются полупроводниковыми переключателями, которые могут управляться электрическим полем без потребления мощности. В полевых транзисторах с запирающим слоем управляющий электрод (затвор) посредством pn- или np-перехода отделен от канала между контактом истока и контактом стока. В полевых транзисторах с запирающим слоем протекает большой ток стока, если между затвором и истоком приложено управляющее напряжение 0 вольт. Они обозначаются тогда, как транзисторы с самопроводимостью (со встроенным каналом [с обеднением канала]).Field Locked Field Effect Transistors (JFETs) are known in the art. Field effect transistors are semiconductor switches that can be controlled by an electric field without power consumption. In field-effect transistors with a locking layer, the control electrode (gate) is separated by a pn or np junction from the channel between the source contact and the drain contact. In field effect transistors with a locking layer, a large drain current flows if a control voltage of 0 volts is applied between the gate and the source. They are then designated as transistors with self-conductivity (with integrated channel [with channel depletion]).

Полевые транзисторы с запирающим слоем имеют по существу квадратичную управляющую характеристику. Для периодического режима переключения, например для генерации ВЧ мощности в классе С, это является относительно неблагоприятным, так как при синусоидальном напряжении затвора лишь в течение относительно малого фазового угла протекает значительный ток истока. Это приводит к повышенной мощности потерь и плохому использованию способности переключения тока транзистора.Field-effect transistors with a blocking layer have a substantially quadratic control characteristic. For a periodic switching mode, for example, for generating RF power in class C, this is relatively unfavorable, since at a sinusoidal gate voltage only during a relatively small phase angle a significant source current flows. This leads to increased power losses and poor use of the current switching ability of the transistor.

До настоящего времени является общепринятым для управления полевыми транзисторами с запирающим слоем применять резонансные схемы, известные для MOSFET-транзисторов (МОП-транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник). В частности, используются индуктивности, чтобы повысить эффективное напряжение затвор-исток. Эта возможность для повышения угла отсечки тока ограничена в общем случае допустимой амплитудой напряжения на контакте затвора.To date, it is common practice to control field-effect transistors with a barrier layer using resonant circuits known for MOSFETs (MOSFETs with a metal-oxide-semiconductor structure). In particular, inductors are used to increase the effective gate-source voltage. This ability to increase the current cutoff angle is generally limited by the allowable voltage amplitude at the gate contact.

Поэтому задачей настоящего изобретения является создание улучшенного схемного устройства для управления полевым транзистором с запирающим слоем. Эта задача решается схемным устройством с признаками пункта 1 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является создание улучшенного способа для управления полевым транзистором с запирающим слоем. Эта задача решается способом с признаками пункта 7 формулы изобретения. Также задачей настоящего изобретения является создание улучшенного усилителя для усиления электрического сигнала. Эта задача решается усилителем с признаками пункта 9 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.Therefore, the object of the present invention is to provide an improved circuit device for controlling a field-effect transistor with a locking layer. This problem is solved by a circuit device with the characteristics of paragraph 1 of the claims. It is also an object of the present invention to provide an improved method for controlling a field-effect field effect transistor. This problem is solved by the method with the characteristics of paragraph 7 of the claims. It is also an object of the present invention to provide an improved amplifier for amplifying an electrical signal. This problem is solved by an amplifier with the characteristics of paragraph 9 of the claims. Preferred embodiments are provided in the dependent claims.

Соответствующее изобретению схемное устройство для управления полевым транзистором с запирающим слоем, который имеет вывод затвора, содержит возбудитель, который выполнен с возможностью генерации сигнала напряжения с установленной частотой. Схемное устройство содержит, кроме того, четырехполюсник, который имеет связанную с возбудителем входную клемму и связанную с выводом затвора выходную клемму и обладает передаточной функцией, которая имеет полюс при нечетном кратном значении частоты. Предпочтительным образом, это схемное устройство обуславливает повышение крутизны фронтов управляющего сигнала. За счет этого время перехода между фазой запирания и проводимости полевого транзистора сокращается, благодаря чему снижается мощность потерь полевого транзистора.According to the invention, a circuit device for controlling a field effect transistor with a locking layer, which has a gate terminal, comprises an exciter that is configured to generate a voltage signal with a set frequency. The circuit device also contains a four-terminal device, which has an input terminal connected to the exciter and an output terminal connected to the gate output and has a transfer function that has a pole at an odd multiple of the frequency. Preferably, this circuit device causes an increase in the steepness of the edges of the control signal. Due to this, the transition time between the locking phase and the conductivity of the field effect transistor is reduced, thereby reducing the power loss of the field effect transistor.

Целесообразно, что сигнал напряжения является синусоидальным. Предпочтительным образом схемное устройство обуславливает тогда изменение сигнала напряжения в направлении прямоугольной характеристики.It is advisable that the voltage signal is sinusoidal. In a preferred manner, the circuit device then causes the voltage signal to change in the direction of the rectangular characteristic.

Предпочтительным образом сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора. При этом предпочтительным образом используется то, что промежуток между контактом затвора и контактом истока полевого транзистора с запирающим слоем ведет себя подобно диоду типа стабилитрона. Такой диод ограничивает управляющий сигнал, за счет чего можно избегать недопустимо высоких токов и возбуждать резонансное колебание четырехполюсника.Preferably, the voltage signal has a maximum value that exceeds the breakdown voltage of the gate of the field effect transistor. In this case, it is preferable to use the fact that the gap between the gate contact and the source contact of the field effect transistor with the blocking layer behaves like a zener diode. Such a diode limits the control signal, due to which it is possible to avoid unacceptably high currents and excite the resonant oscillation of the four-terminal network.

В одной форме выполнения схемного устройства четырехполюсник содержит параллельный колебательный контур. Предпочтительным образом такой параллельный колебательный контур может легко настраиваться.In one embodiment of the circuit device, the four-terminal device comprises a parallel oscillatory circuit. Advantageously, such a parallel oscillatory circuit can be easily adjusted.

В предпочтительном дальнейшем развитии схемного устройства четырехполюсник имеет множество последовательно включенных параллельных колебательных контуров. Предпочтительным образом тогда могут возбуждаться гармоники высших порядков, из-за чего подаваемый на полевой транзистор управляющий сигнал может формироваться в более прямоугольной форме.In a preferred further development of the circuit device, the four-terminal network has a plurality of parallel-connected parallel oscillatory circuits. Higher-order harmonics can then be excited, which is why the control signal supplied to the field effect transistor can be formed in a more rectangular shape.

В другой форме выполнения схемного устройства четырехполюсник имеет объемный [полый] резонатор. Предпочтительным образом такой объемный резонатор особенно хорошо подходит для высоких частот.In another embodiment of the circuit device, the four-terminal device has a volume [hollow] resonator. Advantageously, such a cavity resonator is particularly suitable for high frequencies.

Соответствующий изобретению способ для управления полевым транзистором с запирающим слоем, который имеет вывод затвора, отличается тем, что вывод затвора соединен с выходной клеммой четырехполюсника, входная клемма четырехполюсника нагружается сигналом напряжения с установленной частотой, и четырехполюсник имеет передаточную функцию, которая имеет полюс при нечетном кратном значении частоты. Предпочтительным образом этот способ пригоден для того, чтобы управлять полевым транзистором с запирающим слоем сигналом с повышенной крутизной фронтов. За счет этого сокращается время перехода между фазой проводимости и запирания полевого транзистора, благодаря чему снижается мощность потерь полевого транзистора.According to the invention, a method for controlling a field-effect transistor with a locking layer that has a gate terminal is characterized in that the gate terminal is connected to an output terminal of a four-terminal, the input terminal of a four-terminal is loaded with a voltage signal with a set frequency, and the four-terminal has a transfer function that has a pole for an odd multiple frequency value. Advantageously, this method is suitable for controlling a field-effect transistor with a blocking layer with a signal with increased edge steepness. Due to this, the transition time between the conduction phase and the locking of the field effect transistor is reduced, thereby reducing the power loss of the field effect transistor.

В предпочтительном выполнении способа сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора. Предпочтительным образом сигнал напряжения возбуждает тогда резонансное колебание четырехполюсника, которое накладывается на управляющий сигнал таким образом, что возникает более прямоугольный сигнал. При этом собственный диод, образованный затвором и истоком полевого транзистора, ограничивает управляющий сигнал, не вызывая недопустимо высоких токов. За счет возникающего более прямоугольного управляющего сигнала сокращается время перехода между фазой проводимости и запирания полевого транзистора, благодаря чему снижается его мощность потерь.In a preferred embodiment of the method, the voltage signal has a maximum value that exceeds the breakdown voltage of the gate of the field effect transistor. Preferably, the voltage signal then excites the four-terminal resonant oscillation, which is superimposed on the control signal in such a way that a more rectangular signal arises. In this case, the own diode formed by the gate and the source of the field-effect transistor limits the control signal without causing unacceptably high currents. Due to the arising more rectangular control signal, the transition time between the conduction phase and the blocking of the field effect transistor is reduced, thereby reducing its power loss.

Соответствующий изобретению усилитель для усиления электрического сигнала имеет схемное устройство вышеописанного типа. Предпочтительным образом этот усилитель имеет пониженную мощность потерь.An amplifier for amplifying an electric signal according to the invention has a circuit device of the type described above. Preferably, this amplifier has a reduced power loss.

Предпочтительно усилитель является усилителем класса F. Предпочтительно такие усилители обеспечивают высокий кпд и хорошие свойства усиления.Preferably, the amplifier is a Class F amplifier. Preferably, such amplifiers provide high efficiency and good gain properties.

Изобретение поясняется далее более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:The invention is explained below in more detail with reference to the drawings, which show the following:

фиг.1 - схематичное представление усилительной схемы;figure 1 - schematic representation of the amplification circuit;

фиг.2 - две характеристики полевого транзистора с запирающим слоем;figure 2 - two characteristics of the field effect transistor with a locking layer;

фиг.3 - схематичное представление Фурье-синтеза;figure 3 - schematic representation of the Fourier synthesis;

фиг.4 - схематичное представление схемы управления согласно первой форме выполнения;4 is a schematic representation of a control circuit according to a first embodiment;

фиг.5 - схематичное представление схемы управления согласно второй форме выполнения;5 is a schematic representation of a control circuit according to a second embodiment;

фиг.6 - представление электрических характеристик полевого транзистора с запирающим слоем, управляемого с помощью соответствующей изобретению схемы управления.6 is a representation of the electrical characteristics of a field-effect transistor with a locking layer controlled by a control circuit according to the invention.

Фиг.1 показывает схематичное представление усилительной схемы 100. Усилительная схема 100 представляет собой схему с общим истоком. Усилительная схема 100 может представлять собой усилитель класса F. Усилительная схема 100 может применяться для усиления мощности высокочастотных сигналов.1 shows a schematic representation of an amplifier circuit 100. The amplifier circuit 100 is a circuit with a common source. Amplifier circuit 100 may be a class F amplifier. Amplifier circuit 100 may be used to amplify the power of high frequency signals.

Усилительная схема 100 имеет полевой транзистор 110 с запирающим слоем (JFET). В представленном примере полевой транзистор 110 с запирающим слоем является полевым транзистором с n-каналом. Однако изобретение может быть распространено на полевые транзисторы с р-каналом.Amplifier circuit 100 has a field effect transistor 110 (JFET). In the presented example, the field-effect transistor 110 with the gate layer is an n-channel field effect transistor. However, the invention can be extended to field effect transistors with a p-channel.

Полевой транзистор 110 имеет управляющий контакт (контакт затвора) 120, контакт истока 130 и контакт стока 140. Контакт истока 130 соединен с контактом массы 150. Между контактом затвора 120 и контактом истока 130 или контактом массы 150 может прикладываться управляющее напряжение для управления полевым транзистором 110. Контакт стока 140 соединен с контактом 180 питающего напряжения. Между контактом 180 питающего напряжения и контактом массы 150 может прикладываться питающее напряжение для работы полевого транзистора 110 с запирающим слоем. Между контактом 180 питающего напряжения и контактом стока 140 полевого транзистора 110 может быть введен не показанный на фиг.1 дроссель или подобный конструктивный элемент для ограничения тока. Контакт стока 140 через выходную схему 160 и нагрузку 170 соединен с контактом массы 150.The field effect transistor 110 has a control contact (gate contact) 120, a source contact 130 and a drain contact 140. A source contact 130 is connected to a ground contact 150. A control voltage may be applied between the gate contact 120 and the source contact 130 or the ground contact 150 to control the field effect transistor 110 The drain contact 140 is connected to a voltage contact 180. Between the supply voltage contact 180 and the mass contact 150, a supply voltage may be applied to operate the field effect transistor 110 with a blocking layer. A choke or a similar component to limit current can be introduced between the supply voltage contact 180 and the drain contact 140 of the field effect transistor 110. The drain contact 140 through the output circuit 160 and the load 170 is connected to the mass contact 150.

Между контактом стока 140 и контактом массы 150 может измеряться выходное напряжение 142. Если между контактом затвора 120 и контактом массы 150 приложен управляющий сигнал с синусоидальной характеристикой напряжения, то получается выходное напряжение 142, которое только примерно в течение каждой второй полуволны управляющего сигнала отличается от нуля. В течение остального времени промежуток между истоком и стоком полевого транзистора 110 находится в проводящем состоянии, так что не создается выходного напряжения 142.An output voltage 142 can be measured between the drain contact 140 and the ground contact 150. If a control signal with a sinusoidal voltage characteristic is applied between the gate contact 120 and the ground contact 150, an output voltage 142 is obtained, which differs from zero only about every second half-wave of the control signal . For the rest of the time, the gap between the source and drain of the field effect transistor 110 is in a conductive state, so that no output voltage 142 is generated.

Выходная схема 160 характеризует усилительную схему 100. В показанном примере усилителя класса F выходная схема 160 формирует ток 141 стока, протекающий на контакте стока 140 таким образом, что он имеет отличающуюся от нуля форму половины синусоиды только тогда, когда выходное напряжение 142 примерно равно нулю. В течение остального времени промежуток между истоком и стоком полевого транзистора 110 является высокоомным, и ток 141 стока не протекает.The output circuit 160 characterizes the amplifier circuit 100. In the shown example of a Class F amplifier, the output circuit 160 generates a drain current 141 flowing at the drain contact 140 in such a way that it has a non-zero half-sinusoid shape only when the output voltage 142 is approximately equal to zero. For the rest of the time, the gap between the source and the drain of the field effect transistor 110 is high resistance, and the drain current 141 does not flow.

За счет этой временной характеристики выходного напряжения 142 и тока 141 стока, только в течение короткой фазы переключения как выходное напряжение 142, так и ток 141 стока больше нуля. Только в течение этих фаз переключения возникает мощность потерь полевого транзистора 110. Чтобы дополнительно снизить мощность потерь, желательным является по возможности более быстрое переключение полевого транзистора 110 между открытым и запертым состоянием. Для этого характеристика выходного напряжения 142 в области, где выходное напряжение 142 отлично от нуля, должна иметь крутые фронты, чтобы полевой транзистор 110 по возможности мгновенно переключался из проводящего состояния в запертое и из запертого состояния в проводящее.Due to this time characteristic of the output voltage 142 and the drain current 141, only during the short switching phase both the output voltage 142 and the drain current 141 are greater than zero. Only during these switching phases does the loss power of the field effect transistor 110 occur. In order to further reduce the loss power, it is desirable to switch the field effect transistor 110 as quickly as possible between the open and locked state. For this, the characteristic of the output voltage 142 in the region where the output voltage 142 is non-zero must have steep edges so that the field effect transistor 110 switches as soon as possible from a conducting state to a locked state and from a locked state to a conducting state.

Фиг.2 показывает схематичное представление двух характеристик полевого транзистора 110 с запирающим слоем. При этом на горизонтальной оси нанесено напряжение 121 затвор-исток, приложенное между контактом затвора 120 и контактом истока 130. Верхний график на фиг.2 показывает ток 141 стока, протекающий в контакт стока 140, в зависимости от напряжения 121 затвор-исток. Нижний график на фиг.2 показывает ток 122 затвора, протекающий в контакт затвора 120, в зависимости от напряжения 121 затвор-исток.Figure 2 shows a schematic representation of two characteristics of a field-effect transistor 110 with a blocking layer. At the same time, a gate-source voltage 121 is applied across the horizontal axis, applied between the gate contact 120 and the source contact 130. The upper graph in FIG. 2 shows the drain current 141 flowing to the drain contact 140, depending on the gate-source voltage 121. The lower graph in FIG. 2 shows gate current 122 flowing to gate contact 120, depending on gate-source voltage 121.

На верхнем графике на фиг.2 можно видеть, что полевой транзистор 110 с запирающим слоем имеет приблизительно квадратичную характеристику. Это означает, что ток 141 стока при уменьшающемся отрицательном напряжении 121 затвор-исток растет приблизительно квадратично. Эта квадратичная характеристика имеет недостаток, заключающийся в том, что при синусоидальном сигнале напряжения на контакте затвора 120 только в течение относительно малого фазового угла протекает значительный ток 141 стока. Переключение полевого транзистора 110 с запирающим слоем из запертого в проводящее состояние происходит, таким образом, относительно медленно. Чтобы достичь более быстрого переключения полевого транзистора 110, было бы благоприятным контакт затвора 120 нагружать напряжением 121 затвор-исток, которое проходит с большей крутизной, чем в случае синусоидальной формы.In the upper graph of FIG. 2, it can be seen that the field-effect transistor 110 with the gate layer has an approximately quadratic characteristic. This means that the drain current 141 at a decreasing negative gate-source voltage 121 increases approximately quadratically. This quadratic characteristic has the disadvantage that with a sinusoidal voltage signal at the gate contact 120, only a relatively small phase angle a significant drain current 141 flows. The switching of the field effect transistor 110 with the barrier layer from the locked to the conductive state is thus relatively slow. In order to achieve faster switching of the field effect transistor 110, it would be advantageous for the gate contact 120 to load a gate-source voltage of 121, which passes with greater slope than in the case of a sinusoidal shape.

В соответствии с изобретением для этого может быть использовано показанное на нижнем графике на фиг.2 свойство диода затвора полевого транзистора 110. Нижний график фиг.2 показывает, что ток 122 затвора, протекающий в контакт затвора 120, в широкой области напряжения 121 затвор-исток примерно равен нулю. Только при прямом напряжении 123 пробоя и при обратном напряжении 124 пробоя происходит пробой диода затвора, что приводит к сильному нарастанию тока 122 затвора. Это поведение диода затвора подобно поведению стабилитрона. Если область 190 управления напряжения 121 затвор-исток между контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 выбирается так, что максимальные значения напряжения 121 затвор-исток достигают или несколько превышают напряжения 123, 124 пробоя, то в точках максимума напряжения 121 затвор-исток возникает кратковременный, отличающийся от нуля ток 122 затвора, не приводящий к повреждению полевого транзистора 110. Этот отличающийся от нуля ток 122 затвора может использоваться, чтобы возбудить резонансное колебание последовательного резонансного звена, как поясняется далее.In accordance with the invention, the shutter diode property of the field effect transistor 110 shown in the lower graph of FIG. 2 can be used for this. The lower graph of FIG. 2 shows that the gate current 122 flowing to the gate contact 120 in a wide voltage-gate voltage region 121 approximately equal to zero. Only with a forward voltage of 123 breakdown and with a reverse voltage of 124 breakdown does the breakdown of the gate diode occur, which leads to a strong increase in the gate current 122. This behavior of the gate diode is similar to the behavior of a zener diode. If the voltage control region 190 of the gate-source voltage 121 between the gate contact 120 and the source contact 130 of the field-effect transistor 110 is selected so that the maximum values of the gate-source voltage 121 reach or slightly exceed the breakdown voltage 123, 124, then at the maximum voltage points 121 the gate-source a short-time non-zero gate current 122 occurs that does not damage the field-effect transistor 110. This non-zero gate current 122 can be used to excite a resonant oscillation of the series resonance link, as explained below.

Фиг.3 показывает схематичное представление Фурье-синтеза 200 для формирования примерно прямоугольного колебания из двух синусоидальных сигналов. На горизонтальной оси на фиг.3 нанесено время 201. На вертикальной оси графика на фиг.3 нанесена амплитуда 202. Ссылочной позицией 210 обозначен синусоидальный сигнал 210 основной волны с первой частотой. Сигнал 220 верхней гармоники имеет меньшую амплитуду, чем сигнал 210 основной волны, и вторую частоту. При этом вторая частота является нечетным кратным первой частоты. В показанном на фиг.3 примере вторая частота составляет трехкратное значение первой частоты. Ссылочной позицией 213 обозначен полный сигнал 230, получаемый суммированием сигнала 210 основной волны и сигнала 220 верхней гармоники. Можно видеть, что полный сигнал 230 имеет периодичность сигнала 210 основной волны, однако сформирован более прямоугольным по сравнению с синусоидальным сигналом. Путем суммирования верхних гармоник с нечетным кратным частоты основной волны (нечетных гармоник) синусоидальный сигнал может быть преобразован в приблизительно прямоугольную форму.FIG. 3 shows a schematic representation of Fourier synthesis 200 for generating an approximately rectangular waveform from two sinusoidal signals. The time 201 is plotted on the horizontal axis in FIG. 3. The amplitude 202 is plotted on the vertical axis of the graph in FIG. 3. Reference numeral 210 denotes a sinusoidal signal 210 of the main wave with a first frequency. The high harmonic signal 220 has a smaller amplitude than the main wave signal 210 and a second frequency. In this case, the second frequency is an odd multiple of the first frequency. In the example shown in FIG. 3, the second frequency is three times the value of the first frequency. Reference numeral 213 denotes a complete signal 230 obtained by summing the main wave signal 210 and the high harmonic signal 220. You can see that the full signal 230 has a periodicity of the signal 210 of the main wave, however, is formed more rectangular than the sinusoidal signal. By summing the upper harmonics with an odd multiple of the fundamental wave frequency (odd harmonics), the sine wave can be converted to an approximately rectangular shape.

На фиг.4 показана первая управляющая схема 300 для управления полевым транзистором 110 с запирающим слоем. Части схемы фиг.1 со стороны выхода для наглядности не представлены. Первая управляющая схема 300 содержит возбудитель 320, который выполнен с возможностью формирования синусоидального управляющего сигнала относительно контакта массы 150. Выходной сигнал возбудителя 320 может при этом уже иметь соответствующее напряжение смещения, то есть быть смещенным относительно нуля. Кроме того, первая управляющая схема 300 имеет первый четырехполюсник 310, который выполнен как колебательный контур. Первая входная клемма 313 четырехполюсника 310 соединена с первым выходом возбудителя 320. Вторая входная клемма 315 колебательного контура 310 соединена со вторым выходом возбудителя. Первая выходная клемма 314 четырехполюсника 310 соединена с контактом затвора 120. Вторая выходная клемма 316 колебательного контура 310 соединена с контактом массы 150. Четырехполюсник 310 размещен, таким образом, между возбудителем 320 и контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем.4, a first control circuit 300 for controlling a field-effect transistor 110 is shown. Parts of the circuit of FIG. 1 on the output side are not shown for clarity. The first control circuit 300 contains a driver 320, which is configured to generate a sinusoidal control signal relative to the mass contact 150. The output signal of the driver 320 may already have a corresponding bias voltage, that is, be biased relative to zero. In addition, the first control circuit 300 has a first quadrupole 310, which is designed as an oscillatory circuit. The first input terminal 313 of the four-terminal 310 is connected to the first output of the exciter 320. The second input terminal 315 of the oscillating circuit 310 is connected to the second output of the exciter. The first output terminal 314 of the four-terminal 310 is connected to the gate contact 120. The second output terminal 316 of the oscillating circuit 310 is connected to the ground contact 150. The four-terminal 310 is thus disposed between the driver 320 and the gate contact 120 and the source contact 130 of the field effect transistor 110 with a blocking layer.

Между первой входной клеммой 313 и первой выходной клеммой 314 четырехполюсник 310 содержит конденсатор 311 и включенную параллельно конденсатору 311 катушку 312, которые образуют параллельный LC-контур. Колебательный контур при этом рассчитан таким образом, что он имеет полюс при нечетном кратном значении частоты синусоидального сигнала, выдаваемого возбудителем 320.Between the first input terminal 313 and the first output terminal 314, the quadrupole 310 includes a capacitor 311 and a coil 312 connected in parallel with the capacitor 311, which form a parallel LC circuit. The oscillatory circuit is thus designed so that it has a pole at an odd multiple of the frequency of the sinusoidal signal generated by the pathogen 320.

Фиг.5 показывает вторую управляющую схему 400 согласно альтернативной форме выполнения. Во второй управляющей схеме 400, по сравнению с первой управляющей схемой 300, возбудитель 320 заменен возбудителем 420, который также выполнен с возможностью формирования синусоидального сигнала напряжения. Первый четырехполюсник 310 первой управляющей схемы 300 во второй управляющей схеме 400 заменен вторым четырехполюсником 410. Второй четырехполюсник 410 имеет третью входную клемму 413, которая соединена с первым выходом возбудителя 420. Четвертая входная клемма 415 четырехполюсника 410 соединена со вторым выходом возбудителя 420. Кроме того, второй четырехполюсник 410 имеет третью выходную клемму 414, которая соединена с контактом затвора 120 полевого транзистора 110 с запирающим слоем. Четвертая выходная клемма 416 второго четырехполюсника 410 соединена с контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем и с контактом массы 150. Второй четырехполюсник 410 размещен, таким образом, между возбудителем 420 и контактом затвора 120 и контактом истока 130 полевого транзистора 110 с запирающим слоем.5 shows a second control circuit 400 according to an alternative embodiment. In the second control circuit 400, in comparison with the first control circuit 300, the pathogen 320 is replaced by a pathogen 420, which is also configured to generate a sinusoidal voltage signal. The first four-terminal 310 of the first control circuit 300 in the second control circuit 400 is replaced by a second four-terminal 410. The second four-terminal 410 has a third input terminal 413 that is connected to the first output of the driver 420. The fourth input terminal 415 of the four-terminal 410 is connected to the second output of the driver 420. In addition, the second four-terminal 410 has a third output terminal 414, which is connected to the gate contact 120 of the field effect transistor 110 with a blocking layer. The fourth output terminal 416 of the second four-terminal 410 is connected to the source terminal 130 of the field effect transistor 110 with a blocking layer and to the ground contact 150. The second four-terminal terminal 410 is thus arranged between the driver 420 and the gate contact 120 and the source terminal 130 of the field effect transistor 110 with a blocking layer.

Второй четырехполюсник 410 содержит размещенный между третьей входной клеммой 413 и третьей выходной клеммой 414 четвертьволновый (λ/4) резонатор. λ/4-резонатор может быть, например, объемным резонатором и имеет полюс при нечетном кратном значении частоты синусоидального сигнала, выдаваемого вторым возбудителем 420.The second four-terminal 410 comprises a quarter-wave (λ / 4) resonator located between the third input terminal 413 and the third output terminal 414. The λ / 4 resonator can be, for example, a volume resonator and has a pole with an odd multiple of the frequency of the sinusoidal signal generated by the second driver 420.

Фиг.6 показывает схематичный график для пояснения способа функционирования управляющих схем 300, 400 по фиг.4 и 5. По указывающей влево горизонтальной оси нанесено отрицательное значение напряжения 521 затвор-исток, приложенного между контактом затвора 120 и контактом истока 130 или контактом массы 150. В левом верхнем квадранте графика на фиг.6 еще раз представлена уже известная из фиг.2 квадратичная зависимость тока 141 стока от напряжения 521 затвор-исток. На указывающей вниз вертикальной оси представлено время. Указывающая вправо горизонтальная ось показывает также время 510. Соответствующие моменты времени 511 на обеих осях для лучшей ориентации связаны друг с другом четвертями окружностей.6 shows a schematic diagram for explaining the operation of the control circuits 300, 400 of FIGS. 4 and 5. A negative voltage value 521 of the gate-source applied between the gate contact 120 and the source contact 130 or ground contact 150 is plotted on the horizontal axis pointing to the left. In the upper left quadrant of the graph in FIG. 6, the quadratic dependence of the drain current 141 on the drain-gate voltage 521 is already known from FIG. 2. The downward vertical axis represents time. The horizontal axis pointing to the right also shows time 510. Corresponding moments of time 511 on both axes are connected with each other by quarters of circles.

Вдоль указывающей вниз оси времени графика на фиг.6 нанесен немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550, который выдается посредством возбудителей 320, 420 управляющих схем 300, 400. Можно видеть, что немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550 полностью использует управляющую область 190 напряжения 521 затвор-исток, максимальные значения немодифицированного синусоидального управляющего сигнала 550 достигают или несколько превышают обратное напряжение 124 пробоя и прямое напряжение 123 пробоя. За счет этого диод стока полевого транзистора 110 к моментам времени, в которые немодифицированный синусоидальный управляющий сигнал 550 достигает напряжений 123, 124 пробоя, становится кратковременно проводящим, как пояснялось со ссылкой на фиг.2.Along the downward time axis of the graph in FIG. 6, an unmodified sinusoidal control signal 550 is applied, which is generated by drivers 320, 420 of the control circuits 300, 400. It can be seen that the unmodified sinusoidal control signal 550 makes full use of the gate-source voltage control region 190, the maximum values of the unmodified sinusoidal control signal 550 reach or slightly exceed the reverse voltage 124 breakdown and forward voltage 123 breakdown. Due to this, the drain diode of the field effect transistor 110 at times at which the unmodified sinusoidal control signal 550 reaches a breakdown voltage 123, 124 becomes transiently conductive, as explained with reference to FIG. 2.

Соответственно возникающий короткий поток тока возбуждает резонансное колебание колебательного контура в первом четырехполюснике 310 или в λ/4-резонаторе во втором четырехполюснике 410. Это возбужденное колебание имеет частоту, равную нечетному кратному частоты немодифицированного управляющего сигнала 550. Колебательное напряжение возбужденного колебания показано на фиг.6 кривой 552. В показанном на фиг.6 примере колебание имеет частоту, равную трехкратному значению частоты немодифицированного управляющего сигнала 550. Ссылочной позицией 551 обозначен модифицированный управляющий сигнал, полученный суммированием немодифицированного управляющего сигнала 550 и колебательного напряжения четырехполюсника 310, 410. Можно видеть, что модифицированный управляющий сигнал 551 по сравнению с немодифицированным управляющим сигналом 550 имеет более прямоугольную форму и более крутые фронты. Это имеет преимущество, состоящее в том, что управляемый модифицированным управляющим сигналом 551 полевой транзистор 110 с запирающим слоем быстрее переключается между запертым состояние и открытым состоянием.Accordingly, a short current flow arises which excites the resonant oscillation of the oscillatory circuit in the first four-terminal 310 or in the λ / 4 resonator in the second four-terminal 410. This excited oscillation has a frequency equal to an odd multiple of the frequency of the unmodified control signal 550. The vibrational voltage of the excited oscillation is shown in Fig.6. curve 552. In the example shown in Fig.6, the oscillation has a frequency equal to three times the frequency value of the unmodified control signal 550. Ref. 5 51, the modified control signal obtained by summing the unmodified control signal 550 and the vibrational voltage of the four-terminal terminal 310, 410 is indicated. It can be seen that the modified control signal 551, in comparison with the unmodified control signal 550, has a more rectangular shape and steeper edges. This has the advantage that the gate-switched field effect transistor 110 controlled by the modified control signal 551 quickly switches between the locked state and the open state.

Это показано в правом верхнем квадранте графика на фиг.6. Там представлен зависимый от времени ток 141 стока. Немодифицированный ток 540 стока получается при управлении полевого транзистора 110 с запирающим слоем с помощью немодифицированного управляющего сигнала 550. Как пояснено выше со ссылкой на фиг.1, выходная схема 160 усилительной схемы обуславливает то, что немодифицированный ток 540 стока только в течение каждой второй полуволны немодифицированного управляющего сигнала 550 отличен от нуля. В областях, в которых немодифицированный ток 540 стока отличен от нуля, он имеет приблизительно синусоидальную характеристику.This is shown in the upper right quadrant of the graph in FIG. 6. It shows the time-dependent drain current 141. The unmodified drain current 540 is obtained by controlling the blocking layer field effect transistor 110 with an unmodified control signal 550. As explained above with reference to FIG. 1, the output circuit 160 of the amplifier circuit causes the unmodified drain current 540 only during each second half-wave of the unmodified The control signal 550 is nonzero. In areas in which the unmodified drain current 540 is nonzero, it has an approximately sinusoidal characteristic.

Кривая 541 воспроизводит временную характеристику модифицированного тока стока, которая возникает, когда полевой транзистор 110 с запирающим слоем управляется модифицированным управляющим сигналом 551. Можно видеть, что модифицированный ток стока имеет более прямоугольную характеристику с более крутыми фронтами. Кроме того, временные области, в которых модифицированный ток 540 стока отличен он нуля, расширяются по сравнению с временными областями, в которых немодифицированный ток 540 стока отличен от нуля. Переключение полевого транзистора 110 с запирающим слоем между фазой проводимости и фазой запирания осуществляется при управлении полевого транзистора 110 с запирающим слоем модифицированным управляющим сигналом 551 быстрее, чем при управлении немодифицированным управляющим сигналом 550. За счет этого снижается мощность потерь полевого транзистора 110 с запирающим слоем.Curve 541 reproduces the temporal response of the modified drain current, which occurs when the field-effect transistor 110 with the blocking layer is controlled by the modified control signal 551. It can be seen that the modified drain current has a more rectangular characteristic with steeper edges. In addition, the time regions in which the modified drain current 540 is different from zero are expanded in comparison with the time regions in which the unmodified drain current 540 is non-zero. Switching the field-effect transistor 110 with a blocking layer between the conduction phase and the blocking phase is performed by controlling the field-effect transistor 110 with a blocking layer by a modified control signal 551 faster than when controlling an unmodified control signal 550. This reduces the power loss of the field-effect transistor 110 with a blocking layer.

В дальнейшем развитии первой управляющей схемы 300 первый четырехполюсник 310 может иметь не только один параллельный колебательный контур, но и множество последовательно включенных параллельных колебательных контуров. При этом отдельные параллельные колебательные контура должны иметь резонансы на различных гармонических частотах синусоидального сигнала, выдаваемого возбудителем 320. Это приводит к тому, что при Фурье-синтезе модифицированного управляющего сигнала 551 также получаются гармоники более высокого порядка, что приводит к еще более прямоугольной характеристике сигнала.In the further development of the first control circuit 300, the first quadripole 310 may have not only one parallel oscillatory circuit, but also a plurality of parallel connected oscillatory circuits. In this case, separate parallel oscillatory circuits must have resonances at different harmonic frequencies of the sinusoidal signal generated by the exciter 320. This leads to the fact that the Fourier synthesis of the modified control signal 551 also produces higher-order harmonics, which leads to an even more rectangular characteristic of the signal.

Claims (10)

1. Схемное устройство для управления полевым транзистором с запирающим слоем, причем полевой транзистор имеет вывод затвора и контакт истока, причем упомянутый контакт истока соединен с контактом массы, причем схемное устройство содержит возбудитель, который выполнен с возможностью генерации сигнала напряжения с установленной частотой, при этом схемное устройство содержит четырехполюсник, который имеет связанную с возбудителем входную клемму и связанную с выводом затвора выходную клемму, а также дополнительную выходную клемму, причем дополнительная выходная клемма четырехполюсника соединена с контактом массы, и причем четырехполюсник имеет передаточную функцию, которая имеет полюс при нечетном кратном установленной частоты.1. A circuit device for controlling a field effect transistor with a locking layer, wherein the field effect transistor has a gate terminal and a source contact, said source contact being connected to a ground contact, the circuit device comprising a driver that is configured to generate a voltage signal with a set frequency, the circuit device contains a four-terminal device, which has an input terminal connected to the exciter and an output terminal connected to the gate output, as well as an additional output terminal, m quadripole additional output terminal is connected to the contact mass, and wherein the four-pole has a transfer function which has a pole at an odd multiple of the set frequency. 2. Схемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что сигнал напряжения является синусоидальным.2. The circuit device according to claim 1, characterized in that the voltage signal is sinusoidal. 3. Схемное устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора.3. The circuit device according to claim 1 or 2, characterized in that the voltage signal has a maximum value that exceeds the breakdown voltage of the gate of the field effect transistor. 4. Схемное устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что четырехполюсник содержит параллельный колебательный контур.4. The circuit device according to claim 1 or 2, characterized in that the four-terminal network contains a parallel oscillatory circuit. 5. Схемное устройство по п. 4, отличающееся тем, что четырехполюсник имеет множество последовательно включенных параллельных колебательных контуров.5. The circuit device according to claim 4, characterized in that the four-terminal network has a plurality of parallel-connected oscillatory circuits connected in series. 6. Схемное устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что четырехполюсник имеет объемный резонатор.6. The circuit device according to claim 1 or 2, characterized in that the four-terminal network has a cavity resonator. 7. Способ для управления полевым транзистором с запирающим слоем, который имеет вывод затвора и контакт истока, причем упомянутый контакт истока соединен с контактом массы, при этом вывод затвора соединяется с выходной клеммой четырехполюсника, контакт массы соединяется с дополнительной выходной клеммой четырехполюсника и входная клемма четырехполюсника нагружается сигналом напряжения с установленной частотой, причем четырехполюсник имеет передаточную функцию, которая имеет полюс при нечетном кратном установленной частоты. 7. A method for controlling a field effect transistor with a locking layer that has a gate terminal and a source contact, said source terminal being connected to a ground terminal, wherein the gate terminal is connected to an output terminal of a four-terminal network, the ground contact is connected to an additional output terminal of a four-terminal terminal, and an input terminal of a four-terminal terminal loaded with a voltage signal with a set frequency, and the four-terminal has a transfer function, which has a pole at an odd multiple of the set frequency. 8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что сигнал напряжения имеет максимальное значение, которое превышает пробивное напряжение затвора полевого транзистора.8. The method according to p. 7, characterized in that the voltage signal has a maximum value that exceeds the breakdown voltage of the gate of the field effect transistor. 9. Усилитель для усиления электрического сигнала, причем усилительная схема имеет схемное устройство согласно любому из пп. 1-6.9. An amplifier for amplifying an electrical signal, wherein the amplifying circuit has a circuit device according to any one of paragraphs. 1-6. 10. Усилитель по п. 9, отличающийся тем, что усилитель является усилителем класса F. 10. The amplifier according to claim 9, characterized in that the amplifier is a class F amplifier.
RU2012101462/08A 2010-09-30 2011-09-13 Circuit device for control of field-effect transistor with barrier layer RU2591013C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010041759.9 2010-09-30
DE201010041759 DE102010041759A1 (en) 2010-09-30 2010-09-30 Circuit arrangement for driving a junction field effect transistor
PCT/EP2011/065822 WO2012041694A1 (en) 2010-09-30 2011-09-13 Circuit arrangement for controlling a junction field effect transistor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012101462A RU2012101462A (en) 2014-11-10
RU2591013C2 true RU2591013C2 (en) 2016-07-10

Family

ID=44674777

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012101462/08A RU2591013C2 (en) 2010-09-30 2011-09-13 Circuit device for control of field-effect transistor with barrier layer

Country Status (3)

Country Link
DE (1) DE102010041759A1 (en)
RU (1) RU2591013C2 (en)
WO (1) WO2012041694A1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0547871A1 (en) * 1991-12-16 1993-06-23 Texas Instruments Incorporated Improvements in or relating to amplifiers
RU2054211C1 (en) * 1992-12-23 1996-02-10 Тагаевский Александр Тимурович Method of control over field-effect transistor
US6671505B1 (en) * 1999-04-06 2003-12-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Frequency converter

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5767743A (en) * 1995-10-13 1998-06-16 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Radio frequency power amplifier having a tertiary harmonic wave feedback circuit
JP2001203542A (en) * 2000-01-18 2001-07-27 Sanyo Electric Co Ltd Feedback circuit, amplifier and mixer

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0547871A1 (en) * 1991-12-16 1993-06-23 Texas Instruments Incorporated Improvements in or relating to amplifiers
RU2054211C1 (en) * 1992-12-23 1996-02-10 Тагаевский Александр Тимурович Method of control over field-effect transistor
US6671505B1 (en) * 1999-04-06 2003-12-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Frequency converter

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010041759A1 (en) 2012-04-05
WO2012041694A1 (en) 2012-04-05
RU2012101462A (en) 2014-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9537425B2 (en) Multilevel inverters and their components
US7705676B2 (en) Class D amplifier arrangement
US8054110B2 (en) Driver circuit for gallium nitride (GaN) heterojunction field effect transistors (HFETs)
Choi et al. Comparison of SiC and eGaN devices in a 6.78 MHz 2.2 kW resonant inverter for wireless power transfer
RU2706732C1 (en) Exciter
Wei et al. Analysis and Design of Class-${\rm E} _ {\rm M} $ Power Amplifier
Trung et al. Attenuate influence of parasitic elements in 13.56-MHz inverter for wireless power transfer systems
Choi et al. Evaluation of a 900 V SiC MOSFET in a 13.56 MHz 2 kW resonant inverter for wireless power transfer
Chennu et al. Study on Resonant Gate Driver circuits for high frequency applications
JP6816661B2 (en) FET drive circuit
RU2591013C2 (en) Circuit device for control of field-effect transistor with barrier layer
Yusmarnita et al. Design and analysis of 1MHz class-E power amplifier
TWI765963B (en) High power amplifier circuit with protective feedback circuit
Nguyen et al. Softswitching with SiC-devices for compact onboard railway power supplies
KR102604619B1 (en) Circuit and method for driving an electric load
Zhang et al. 1 kW 13.56 MHz class-D− 1 power stage with 90% drain efficiency
Sangid et al. Comparison of 60V GaN and Si devices for Class D audio applications
RU2517429C1 (en) Voltage-controlled generator
Suetsugu et al. Analysis of transient behavior of class E amplifier due to load variations
Zehelein et al. Reduction of the leakage currents by switching transition synchronization for a four-switch buck-boost converter
JP6452592B2 (en) Parallel resonant circuit and harmonic processing circuit
Petersen et al. High Power Density for Class-D Audio Power Amplifiers Equipped with eGaNFETs
Nikoo et al. Negative resistance in cascode transistors
JP5773364B2 (en) EM class amplifier
Suetsugu et al. Diode peak voltage clamping of class E amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190914