RU2813854C1 - High-frequency key cascade bias circuit with high-speed amplitude-shift keying - Google Patents

High-frequency key cascade bias circuit with high-speed amplitude-shift keying Download PDF

Info

Publication number
RU2813854C1
RU2813854C1 RU2023111438A RU2023111438A RU2813854C1 RU 2813854 C1 RU2813854 C1 RU 2813854C1 RU 2023111438 A RU2023111438 A RU 2023111438A RU 2023111438 A RU2023111438 A RU 2023111438A RU 2813854 C1 RU2813854 C1 RU 2813854C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transformer
transistor
ldmosfet
power
output
Prior art date
Application number
RU2023111438A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Алексеевич Камшилин
Алексей Владимирович Безвесельный
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Мощная радиотехника"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Мощная радиотехника" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Мощная радиотехника"
Application granted granted Critical
Publication of RU2813854C1 publication Critical patent/RU2813854C1/en

Links

Abstract

FIELD: high-frequency radio engineering.
SUBSTANCE: invention relates to high-frequency (HF) radio engineering. High-frequency key stage bias circuit with high-speed amplitude-shift keying comprises high-frequency (HF) stage and pulse modulation inputs, push-pull field transistor LDMOSFET driver, input HF transformer T1, power HF transistor LDMOSFET VT1, output HF transformer T2, power filter choke L1, HF output of cascade K4, circuit R1C1, connected in parallel to middle point of secondary winding of input HF transformer T1, connected to gates of power HF transistor LDMOSFET VT1, as well as diodes VD1, VD2, together with capacitor C1, forming a positive half-wave detector, and inputs of the HF cascade and pulse modulation through the push-pull field transistor LDMOSFET driver are connected to the primary winding of the input HF transformer, arms of the power HF transistor LDMOSFET VT1 are connected to the primary winding of the output HF transformer T2, and to the middle point of the primary winding of the output HF transformer T2 the supply filter choke L1 is connected.
EFFECT: preservation of time of decay of trailing edge of radio pulse initially high and complete elimination of overshoot on drains of power high-frequency (HF) transistor.
1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к высокочастотной (ВЧ) радиотехнике, к каскадам усиления, работающим в ключевом режиме со 100% амплитудной модуляцией (манипуляцией).The invention relates to high-frequency (HF) radio engineering, to amplification cascades operating in a key mode with 100% amplitude modulation (manipulation).

Амплитудная манипуляция в ключевых каскадах, если она осуществляется прерыванием ВЧ сигнала на входе каскада, отличается очень крутыми фронтами, как передним, так и задним. В современных ключевых каскадах на затворы силового ВЧ транзистора подается практически TTL сигнал. Фронты радиоимпульса при этом могут составлять 2-3 периода ВЧ сигнала.Amplitude manipulation in key stages, if it is carried out by interrupting the RF signal at the input of the stage, is characterized by very steep edges, both leading and trailing. In modern key stages, an almost TTL signal is supplied to the gates of the RF power transistor. The fronts of the radio pulse can be 2-3 periods of the RF signal.

На заднем фронте радиоимпульса, при резком спаде тока потребления, на стоках ВЧ транзистора появляется всплеск напряжения в связи с тем, что в цепи питания транзистора имеется достаточно большая индуктивность выходного трансформатора, дросселей фильтра питания и пр.At the trailing edge of the radio pulse, with a sharp drop in current consumption, a voltage surge appears at the drains of the RF transistor due to the fact that in the transistor power circuit there is a sufficiently large inductance of the output transformer, power filter chokes, etc.

Эпюра напряжения на стоке ВЧ транзистора при амплитудной манипуляции полученная экспериментальным путем представлена на фиг. 1. Рабочая часть радиоимпульса имеет напряжение U1, которое определяется результатом проектирования каскада и расчета его выходной цепи.The voltage diagram at the drain of the RF transistor during amplitude manipulation, obtained experimentally, is presented in Fig. 1. The working part of the radio pulse has a voltage U 1 , which is determined by the result of designing the cascade and calculating its output circuit.

Устранение описанного явления путем искусственного увеличения времени спада заднего фронта радиоимпульса возможно, но в подавляющем большинстве случаев неприемлемо по причине ухудшения модуляционных качеств каскада, таких как, например, скорость передачи информации.Eliminating the described phenomenon by artificially increasing the decay time of the trailing edge of the radio pulse is possible, but in the vast majority of cases it is unacceptable due to the deterioration of the modulation qualities of the cascade, such as, for example, the information transmission rate.

Известна схема раскачки LDMOSFET [1], [2], [3] с использованием прямого подключения драйверов полевого транзистора, фиг 2, содержащая ВЧ вход каскада, вход импульсной манипуляции, клемму питания, ВЧ выход каскада, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET, выходной ВЧ трансформатор, дроссель фильтра питания. или с использованием трансформатора импеданса, фиг.3, содержащая ВЧ вход каскада, вход импульсной манипуляции, клемму питания, ВЧ выход каскада, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор, выходной ВЧ трансформатор, дроссель фильтра питания.There is a known LDMOSFET drive circuit [1], [2], [3] using direct connection of field-effect transistor drivers, Fig. 2, containing the RF input of the cascade, the input of pulse manipulation, the power terminal, the RF output of the cascade, the driver of a push-pull field-effect transistor LDMOSFET, the power RF LDMOSFET transistor, RF output transformer, power filter choke. or using an impedance transformer, Fig. 3, containing the RF input of the stage, the input of pulse manipulation, the power terminal, the RF output of the stage, the LDMOSFET push-pull field-effect transistor driver, the LDMOSFET power RF transistor, the RF input transformer, the RF output transformer, the power filter choke.

Данные схемы силовых ВЧ транзисторов, имеют справочное напряжение U(BR)DSS (drain-source breakdown voltage) - напряжение самоотпирания. Незначительное превышение этого напряжения не опасно, т.к. современные LDMOSFET производятся по технологии обеспечивающей определенную лавиностойкость. Однако энергия лавинного пробоя ограничена (на фиг.1, UAVAL Limit). Если исходное напряжение на стоке транзистора развивается таким, что вызванная им лавина по энергии превышает предел, транзистор выходит из строя.These circuits of RF power transistors have a reference voltage U (BR)DSS (drain-source breakdown voltage) - self-triggering voltage. A slight excess of this voltage is not dangerous, because modern LDMOSFETs are produced using technology that provides a certain avalanche resistance. However, the avalanche breakdown energy is limited (in Fig. 1, U AVAL Limit ). If the initial voltage at the drain of the transistor develops such that the energy avalanche it causes exceeds the limit, the transistor fails.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретение, заключается в повышении надежности.The technical problem solved by the claimed invention is to increase reliability.

Технический результат заключается в сохранении времени спада заднего фронта радиоимпульса исходно высоким и полном устранении образования выброса на стоках силового высокочастотного (ВЧ) транзистора.The technical result consists in maintaining the decay time of the trailing edge of the radio pulse initially high and completely eliminating the formation of a surge at the drains of the high-frequency (RF) power transistor.

Указанный технический результат достигается в схеме смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией, содержащая входы высокочастотного (ВЧ) каскада и импульсной модуляции, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор Т1, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET VT1, выходной ВЧ трансформатор Т2, дроссель фильтра питания L1, ВЧ выход каскада К4, при этом дополнительно содержит цепь R1C1, подключенную параллельно к средней точке вторичной обмотки входного ВЧ трансформатора Т1, подключенной к затворам силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1, а также диоды VD1, VD2, образующие в совокупности с конденсатором С1 детектор положительной полуволны.The specified technical result is achieved in a bias circuit of a high-frequency switching stage with high-speed amplitude manipulation, containing inputs of a high-frequency (RF) stage and pulse modulation, a push-pull LDMOSFET field-effect transistor driver, an RF input transformer T1, a RF power transistor LDMOSFET VT1, an RF output transformer T2, a filter inductor power supply L1, RF output of stage K4, additionally containing circuit R1C1, connected in parallel to the midpoint of the secondary winding of the input RF transformer T1, connected to the gates of the power RF transistor LDMOSFET VT1, as well as diodes VD1, VD2, which together with capacitor C1 form a detector positive half wave.

Заявленное изобретение поясняется на графических материалах, гдеThe claimed invention is illustrated in graphic materials, where

Фиг.1 - Эпюры напряжений на стоках силового ВЧ транзистора при амплитудной манипуляции.Figure 1 - Diagrams of voltages at the drains of a power RF transistor during amplitude manipulation.

Фиг.2 - схема раскачки LDMOSFET с использованием прямого подключения драйверов полевого транзистора, где:Figure 2 - LDMOSFET drive circuit using direct connection of field-effect transistor drivers, where:

К1 - ВЧ вход каскада;K1 - RF input of the cascade;

К2 - вход импульсной манипуляции;K2 - pulse manipulation input;

К3 - клемма питания;K3 - power terminal;

К4 - ВЧ выход каскада;K4 - RF output of the cascade;

D1 - драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET;D1 - driver of a push-pull field-effect transistor LDMOSFET;

VT1 - силовой ВЧ транзистор LDMOSFET;VT1 - RF power transistor LDMOSFET;

Т2 - выходной ВЧ трансформатор;T2 - output RF transformer;

L1 - дроссель фильтра питания.L1 - power filter choke.

Фиг.3 - схема раскачки LDMOSFET с использованием трансформатора импеданса, где:Figure 3 is a diagram for driving an LDMOSFET using an impedance transformer, where:

Т1 - входной ВЧ трансформатор;T1 - input RF transformer;

D1 - драйвер полевого транзистора;D1 - field-effect transistor driver;

Т2 - выходной ВЧ трансформатор.T2 - output RF transformer.

Фиг.4 - схема заявленного изобретения, где:Figure 4 is a diagram of the claimed invention, where:

R1 – резистор;R1 – resistor;

C1 – конденсатор;C1 – capacitor;

VD1 - диод;VD1 - diode;

VD2 – диод.VD2 – diode.

Заявленная схема одновременно сохраняет время спада заднего фронта радиоимпульса исходно высоким и полностью устраняет образования выброса на стоках силового ВЧ транзистора, фиг. 4.The claimed circuit simultaneously maintains the decay time of the trailing edge of the radio pulse initially high and completely eliminates the formation of a surge at the drains of the power RF transistor, Fig. 4.

Схема отличается тем, что имеется резистор R1 и конденсатор С1 подключенные параллельно к средней точке вторичной обмотки (обмотке затворов силового ВЧ транзистора) входного ВЧ трансформатора с одной стороны и общим проводом (землей), с другой стороны. Имеются диоды VD1, VD2, подключенные катодами к затворам силового ВЧ транзистора и анодами к земле.The circuit differs in that there is a resistor R1 and a capacitor C1 connected in parallel to the midpoint of the secondary winding (gate winding of the RF power transistor) of the RF input transformer on one side and a common wire (ground) on the other side. There are diodes VD1, VD2, connected by cathodes to the gates of the RF power transistor and anodes to ground.

Диоды VD1 и VD2 в совокупности с конденсатором С1 образуют амплитудный детектор положительной полуволны, что приводит к появлению на затворах силового ВЧ транзистора VT1 постоянного напряжения (напряжение смещения) в то время, когда ВЧ входной сигнал присутствует. Напряжение смещения равно половине размаха входного ВЧ сигнала и не выводит транзистор VT1 из ключевого режима и не снижает КПД каскада.Diodes VD1 and VD2, together with capacitor C1, form an amplitude detector of the positive half-wave, which leads to the appearance of a constant voltage (bias voltage) at the gates of the RF power transistor VT1 (bias voltage) while the RF input signal is present. The bias voltage is equal to half the swing of the input RF signal and does not remove transistor VT1 from the key mode and does not reduce the efficiency of the cascade.

Когда входной ВЧ сигнал прерывается модуляцией (отсутствует), напряжение смещения продолжает присутствовать время, определяемое постоянной времени цепи R1, C1. Это напряжение больше напряжения отпирания транзистора VT1. Таким образом оба плеча VT1 некоторое время оказываются одновременно открытыми и шунтируя выходной трансформатор гасят ток, запасенный в индуктивностях выходной цепи Т2 и L1, тем самым предотвращая появление выброса напряжения на стоках VT1, как если бы плечи транзистора VT1 мгновенно оба закрылись при прекращении входного ВЧ сигнала.When the RF input signal is interrupted by modulation (absent), the bias voltage continues to be present for a time determined by the time constant of circuit R1, C1. This voltage is greater than the unlocking voltage of transistor VT1. Thus, both arms of VT1 are simultaneously open for some time and, by shunting the output transformer, they extinguish the current stored in the inductances of the output circuit T2 and L1, thereby preventing the appearance of a voltage surge on the drains of VT1, as if the arms of transistor VT1 instantly both closed when the input RF signal ceased .

Постоянная времени цепи R1C1 выбирается достаточной для полного гашения тока, запасенного в индуктивностях Т2 и L1, но в тоже время без избытка. В этом случае снижение КПД лишь в незначительной степени будет наблюдаться только в режиме модуляции с высокой скоростью, когда временная доля длительностей переднего и заднего фронта занимает в периоде ВЧ сигнала 10% и более, и не наблюдаться вовсе в непрерывном режиме. Постоянная времени R1C1 должна равняться приблизительно трем периодам ВЧ сигнала, т.к. наблюдения и эксперименты показали, что 90% энергии выброса содержатся в указанном интервале.The time constant of the circuit R1C1 is selected sufficient to completely extinguish the current stored in inductances T2 and L1, but at the same time without excess. In this case, a decrease in efficiency will only be observed to a small extent only in the high-speed modulation mode, when the time fraction of the durations of the leading and trailing edges occupies 10% or more in the RF signal period, and will not be observed at all in the continuous mode. The time constant R1C1 should be equal to approximately three periods of the RF signal, because observations and experiments have shown that 90% of the emission energy is contained in the specified interval.

Пример реализации схемы на заданной частоте ВЧ сигналаAn example of a circuit implementation at a given RF signal frequency

Для примера выберем частоту ВЧ сигнала, равную For example, let’s choose a frequency of the RF signal equal to

F=10 МГц = 106 Гц.F=10 MHz = 10 6 Hz.

Период ВЧ сигнала составляетThe period of the RF signal is

Т= 1/F = 10-7 с.T= 1/F = 10 -7 s.

Поскольку 90% энергии индуктивного выброса содержится в трех периодах ВЧ колебаний, время необходимое для его гашения составляетSince 90% of the energy of the inductive surge is contained in three periods of HF oscillations, the time required to extinguish it is

ТГАШ = 3Т = 3×10-7 с.T GASH = 3T = 3×10 -7 s.

Постоянная времени цепи R1C1 так же должна составлять 0,3 мкс. Поскольку постоянная цепи определяется по формулеThe time constant of circuit R1C1 should also be 0.3 μs. Since the chain constant is determined by the formula

τ = RC,τ = RC,

то рассчитать можно только значение R при заданном С и наоборот. Пусть R=1 кОм, тогдаthen only the value of R can be calculated for a given C and vice versa. Let R=1 kOhm, then

С = τ / R,C = τ / R,

С = 3×10-7/ 103 = 3×10-10 = 300 пФC = 3×10 -7 / 10 3 = 3×10 -10 = 300 pF

Источники информации:Information sources:

1. https://www.microsemi.com/sites/default/files/micnotes/DRF1200.pdf, дата публикации 22.12.2008, 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET Hybrid (рис. 2). 1. https://www.microsemi.com/sites/default/files/micnotes/DRF1200.pdf , publication date 12/22/2008, 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET Hybrid (Fig. .2).

2. https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1811_C.pdf 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET (Рис. 7) 2. https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1811_C.pdf 13.56 MHz, CLASS-E, 1KW RF Generator using a Microsemi DRF1200 Driver/MOSFET (Fig. 7)

https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1812%20C.pdf, дата публикации сентябрь, 2011г, 13.56 MHz, Class D Push-Pull, 2KW RF Generator with Microsemi DRF1300 Power MOSFET Hybrid (Рис.3). https://ww1.microchip.com/downloads/en/Appnotes/1812%20C.pdf , publication date September, 2011, 13.56 MHz, Class D Push-Pull, 2KW RF Generator with Microsemi DRF1300 Power MOSFET Hybrid (Fig. 3 ).

Claims (1)

Схема смещения высокочастотного ключевого каскада с высокоскоростной амплитудной манипуляцией, содержащая входы высокочастотного (ВЧ) каскада и импульсной модуляции, драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET, входной ВЧ трансформатор Т1, силовой ВЧ транзистор LDMOSFET VT1, выходной ВЧ трансформатор Т2, дроссель фильтра питания L1, ВЧ выход каскада К4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит цепь R1С1, подключенную параллельно к средней точке вторичной обмотки входного ВЧ трансформатора Т1, подключенной к затворам силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1, а также диоды VD1, VD2, образующие в совокупности с конденсатором С1 детектор положительной полуволны, при этом входы ВЧ каскада и импульсной модуляции через драйвер двухтактного полевого транзистора LDMOSFET соединены с первичной обмоткой входного ВЧ трансформатора, плечи силового ВЧ транзистора LDMOSFET VT1 соединены с первичной обмоткой выходного ВЧ трансформатора Т2, а к средней точке первичной обмотки выходного ВЧ трансформатора Т2 подключен дроссель фильтра питания L1.High-frequency switching stage bias circuit with high-speed amplitude shift keying, containing high-frequency (RF) stage and pulse modulation inputs, LDMOSFET push-pull field-effect transistor driver, RF input transformer T1, RF power transistor LDMOSFET VT1, RF output transformer T2, power filter choke L1, RF output cascade K4, characterized in that it additionally contains circuit R1C1 connected in parallel to the midpoint of the secondary winding of the input RF transformer T1, connected to the gates of the RF power transistor LDMOSFET VT1, as well as diodes VD1, VD2, which together with capacitor C1 form a positive half-wave detector, in this case, the inputs of the RF cascade and pulse modulation through the driver of the push-pull field-effect transistor LDMOSFET are connected to the primary winding of the input RF transformer, the arms of the power RF transistor LDMOSFET VT1 are connected to the primary winding of the output RF transformer T2, and a filter choke is connected to the midpoint of the primary winding of the output RF transformer T2 power supply L1.
RU2023111438A 2023-05-03 High-frequency key cascade bias circuit with high-speed amplitude-shift keying RU2813854C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813854C1 true RU2813854C1 (en) 2024-02-19

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1334357A1 (en) * 1986-02-21 1987-08-30 Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро Микроэлектроники Power amplifier
SU1539962A1 (en) * 1988-02-03 1990-01-30 Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова Operational amplifier
UA99956C2 (en) * 2010-11-08 2012-10-25 Винницкий Национальный Технический Университет Push-pull balanced current amplifier
CN107493078A (en) * 2016-06-13 2017-12-19 英特尔Ip公司 Amplifying circuit, low-noise amplifier, the apparatus and method for being amplified
US10644655B2 (en) * 2013-03-25 2020-05-05 Dialog Semiconductor B.V. Electronic biasing circuit for constant transconductance

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1334357A1 (en) * 1986-02-21 1987-08-30 Специальное Конструкторско-Технологическое Бюро Микроэлектроники Power amplifier
SU1539962A1 (en) * 1988-02-03 1990-01-30 Научно-исследовательский институт интроскопии при Томском политехническом институте им.С.М.Кирова Operational amplifier
UA99956C2 (en) * 2010-11-08 2012-10-25 Винницкий Национальный Технический Университет Push-pull balanced current amplifier
US10644655B2 (en) * 2013-03-25 2020-05-05 Dialog Semiconductor B.V. Electronic biasing circuit for constant transconductance
CN107493078A (en) * 2016-06-13 2017-12-19 英特尔Ip公司 Amplifying circuit, low-noise amplifier, the apparatus and method for being amplified

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6294957B1 (en) RF power amplifier having synchronous RF drive
US5023566A (en) Driver for a high efficiency, high frequency Class-D power amplifier
US7786798B2 (en) Amplifying pulses of different duty cycles
US9461550B2 (en) Method and apparatus for extending zero-voltage switching range in a DC to DC converter
US7728662B2 (en) Saturated power amplifier with selectable and variable output power levels
US8509031B2 (en) H-bridge pulse generator
Varlamov et al. High Efficiency Power Amplifier for IoT Applications: RF Path
US4626715A (en) MOS FET amplifier output stage
CN103532506B (en) System and a method for a cascoded amplifier
US6300829B1 (en) RF power amplifier system having inductive steering
JP2009295681A (en) Laser diode driving circuit
EP2870692A1 (en) Push-pull amplification systems and methods
US10938384B2 (en) Pulse modulator
RU2813854C1 (en) High-frequency key cascade bias circuit with high-speed amplitude-shift keying
US7889003B2 (en) Class-D amplifier
US6211735B1 (en) RF power amplifier having improved power supply for RF drive circuits
EP1583235A1 (en) Emitter switching driving network to control the storage time
Ramos et al. A fully monolithically integrated 4.6 GHz DC-DC converter
WO2004023646A1 (en) Class-f doherty amplifier
CN105610307A (en) Isolation gate driving circuit capable of generating fixed negative voltage for power switching transistor
US20150097619A1 (en) Amplifier
JP4538783B2 (en) D class amplifier
JP4685563B2 (en) Antenna switching circuit
Babapour et al. Design of a Class F Power Amplifier With 60% Efficiency at 1800 MHz Frequency
US20180294780A1 (en) Wide-band amplifiers using clipper circuits for reduced harmonics