Ключевой каскад

 

Использование: изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиотехнических устройствах, ключевые каскады которых включены по схеме с общим эмиттером или общим истоком. Сущность изобретения: устройство содержит: один источник прямоугольных импульсов 1, один управляемый ключ 6, одну катушку индуктивности 8, один дроссель 7, одну нагрузку 9. 1 з. п. ф - лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в любом радиотехническом устройстве, ключевые каскады которого на биполярных или полевых транзисторах включены по схеме с общим эмиттером или общим истоком.

В настоящее время в ключевых каскадах, выполненных на транзисторах, которые работают с невысокими питающими напряжениями, с целью получения большой выходной мощности нагрузка подключается к выходу каскада через трансформатор сопротивлений. Недостатком такого подключения нагрузки к ключевому каскаду является то, что эквивалентное сопротивление нагрузки, приложенное к выходу каскада, имеет индуктивный характер. В ряде практических случаев нагрузки и ключевой каскад выполняются в виде независимых блоков, соединенных между собой либо коаксиальным кабелем, либо электрическим проводом, либо проводником печатной платы и т. п.

Входные сопротивления названных линий связи ключевого каскада и нагрузки также имеют индуктивный характер. Таким образом индуктивный характер сопротивления нагрузки, приложенного к выходу ключевого каскада, присущ широкому классу радиотехнических устройств, использующих транзисторы как управляемые ключи.

Индуктивность цепи нагрузки и выходная емкость управляемого ключа, выполненного на транзисторе, образуют паразитный колебательный контур. При воздействии импульса тока на выходной паразитный контур в нем возникает колебательный процесс, который приводит к появлению на выходе управляемого ключа паразитного переменного напряжения. Паразитное переменное напряжение приводит к снижению или к потере устойчивости ключевого каскада.

Пояснить появление неустойчивого режима работы ключевого каскада можно на примере рассмотрения оконечного каскада ВЧ-усилителя мощности, приведенного на фиг. 1а. При воздействии положительного импульса входного сигнала транзистор V1 открыт. Ток дросселя Др протекает через открытый транзистор V1. При поступлении на вход каскада отрицательного импульса транзистор V1 закрывается и ток дросселя Др перераспределяется в цепь нагрузки. При воздействии импульса тока на паразитный колебательный контур на нем появляется паразитное высокочастотное напряжение, которое приложено к выходу транзистора. Временная зависимость напряжения Uкэ (коллектор-эмиттер) транзистора V1 приведена на фиг. 1в. Возможность появления неустойчивого режима работы ключевого каскада объясняется тем, что паразитное высокочастотное напряжение воздействует на базовую цепь транзистора, через внутреннюю обратную связь транзистора (Ск - емкость коллекторного перехода), управляя работой транзистора. Временная зависимость напряжения Uбэ (база-эмиттер) представлена на фиг. 1д.

Паразитное напряжение является мешающим воздействием.

Известен способ, устраняющий это мешающее воздействие, заключающийся в ограничении напряжения паразитных колебаний путем подключения к выходу переключающего элемента амплитудного ограничителя.

Известный способ является эффективным средством, уменьшающим мешающее воздействие, так как позволяет не только ограничить выбросы паразитного напряжения, но и увеличить затухание паразитного колебательного процесса, что в конечном счете позволяет уменьшить паразитные колебания до допустимого уровня.

Недостатком известного способа является то, что в ключевых каскадах форма выходного полезного сигнала может отличаться от прямоугольной (фиг. 1г). Применение известного способа в этом случае малоэффективно, так как при выборе порога ограничения большой величины амплитудный ограничитель лишь незначительно ограничивает паразитные колебания напряжения, а при уменьшении порога ограничения амплитудный ограничитель ограничивает и полезный сигнал. Таким образом, в первом случае мешающее воздействие не уменьшается, что приводит к указанным выше недостаткам, во втором случае при ограничении вместе с мешающим воздействием полезного сигнала теряется полезная информация, а также снижается энергетическая эффективность ключевого каскада: снижается выходная мощность полезного сигнала и КПД.

Недостатком известного способа является также то, что даже при ограничении выходного напряжения ключевого каскада на требуемом уровне суммарного колебания - паразитного и полезного (фиг. 1в) амплитудный ограничитель демпфирует паразитное колебание с дополнительными потерями мощности. При превышении амплитуды паразитных колебаний порога ограничения амплитудный ограничитель является дополнительной нагрузкой для паразитного напряжения. Энергия колебаний выделяется в амплитудном ограничителе, что увеличивает потери мощности и снижает КПД ключевого каскада. Известно, что при емкостной обратной связи (например, при использовании в каскадах транзисторов, электронных ламп и т. п. ) паразитные автоколебания возникают в каскадах, эквивалентная схема которых является "индуктивной трехточкой" (фиг. 1б). Суть известного способа повышения устойчивости заключается в нарушении условий возникновения в каскадах паразитных автоколебаний, т. е. в нарушении эквивалентной схемы паразитного автогенератора.

Недостатком известного способа является то, что даже при нарушенной эквивалентной схеме паразитного автогенератора в ключевом каскаде возможно появление паразитного автоколебательного процесса. Рассмотрим это на примере ключевого каскада, изображенного на фиг. 1ж. Эквивалентная схема каскада приведена на фиг. 1з. В этой схеме отсутствует элемент Lб. Таким образом, согласно известному способу в этом каскаде не должно возникать паразитных автоколебаний. Однако практика показывает, что и в этом случае возможна неустойчивая работа каскада. Рассмотрим механизм появления паразитных автоколебаний в ключевом каскаде (фиг. 1ж).

При поступлении импульса тока с выхода транзистора в нагрузку в паразитном колебательном контуре, который образован индуктивностью провода Lн нагрузки Н и паразитными емкостями транзистора Ск и Сэ, возникает колебательный процесс, сопровождающийся появлением в коллекторном напряжении Uкэ паразитных колебаний (фиг. 1в, г), причем транзистор на этом этапе закрыт. Через обратную связь, образованную емкостью коллекторного перехода Ск транзистора V1, паразитное напряжение поступает в цепь базы (фиг. 1д, е) ключевого каскада. При достижении паразитным напряжением уровня 0,7 В транзистор V1 открывается. Таким образом, паразитные колебания управляют работой транзистора V1. В ключевом каскаде появляются паразитные автоколебания и каскад теряет устойчивость.

Кроме того, недостатком известного способа является то, что он в принципе не устраняет паразитные колебания, действующие на выходе переключающего элемента, которые, суммируясь с выходным полезным сигналом (фиг. 1в, г), приводят к потере устойчивости каскада.

Таким образом, для повышения устойчивости ключевого каскада необходимо устранить паразитные колебания, действующие на выходе переключающего элемента каскада, либо уменьшить их уровень до допустимой величины.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является ключевой каскад, содержащий последовательно соединенные входной трансформатор, два транзистора, включенные по схеме с общим эмиттером и работающие в противофазе, блокировочные конденсаторы, выходной трансформатор и нагрузку, причем коллектор каждого транзистора подключен к источнику питания через соответствующий дроссель.

Известный ключевой каскад является двухтактной схемой, состоящей из двух плеч. Каждое из плеч может работать отдельно. Поэтому для простоты анализа рассмотрим работу одного плеча ключевого каскада. Причем блокировочный конденсатор Сбл. исключается из рассмотрения, так как устраняет постоянную составляющую тока в нагрузке и принципиально важного значения в ключевом каскаде не имеет.

Известный ключевой каскад работает следующим образом. Входной сигнал, поступающий на входной трансформатор, управляет работой транзистора, который может находиться в одном из двух состояний: открытом или закрытом. На интервале времени, когда транзистор открыт, ток дросселя Lбл. протекает через транзистор. На интервале времени, когда транзистор закрыт, ток дросселя Lбл. протекает через обмотку трансформатора Т в нагрузку Rн. Недостатком известного устройства является то, что в схеме индуктивность обмотки трансформатора Т и выходная емкость транзистора V1 образуют паразитный колебательный контур. При воздействии импульса тока на паразитный контур на нем возникают паразитные колебания. Паразитные колебания, приложенные к коллектору и эмиттеру транзистора V1, попадая в цепь базы транзистора через емкость коллекторного перехода Ск, управляют его работой. Это порождает неустойчивый режим работы каскада в целом. Таким образом, для повышения устойчивости ключевого каскада необходимо уменьшить амплитуду паразитных колебаний либо устранить эти колебания.

Цель изобретения - повышение устойчивости ключевого каскада путем уменьшения амплитуды паразитных колебаний.

Для этой цели в ключевой каскад (см. фиг. 2 и 3), содержащий последовательно соединенные источник прямоугольных импульсов, управляемый ключ, катушку индуктивности и нагрузку, причем управляемый ключ содержит биполярный транзистор, входной и проходной конденсаторы, эмиттер транзистора соединен с общей шиной каскада, а база и коллектор транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а выход управляемого ключа через дроссель соединен с шиной питания каскада, введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений R = R= , tсп = N x T, где tсп. - время спада импульса коллекторного тока; Uв. - амплитуда входных импульсов; Е '- напряжение отсечки биполярного транзистора; Uп. - напряжение питания; Сп. - емкость проходного конденсатора; N = 1, 2, 3, 4, . . . ; T = T= период паразит- ных колебаний; L - индуктивность катушки К; Rн - сопротивление нагрузки.

Кроме того, в ключевом каскаде управляемый ключ содержит полевой транзистор, входной и проходной конденсаторы, исток полевого транзистора соединен с общей шиной каскада, а затвор и сток транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений:
R= R= _ ,
tсп = N T, где U1 - пороговое напряжение затвор - исток полевого транзистора;
U2 - граничное напряжение затвор - исток, при котором полевой транзистор полностью открыт;
tсп - время спада импульса стока полевого транзистора;
Q1, Q2 - соответственно заряд затвора полевого транзистора при напряжениях U1, U2;
N = 1, 2, 3, 4, . . . ,
T = T= - период паразит- ных колебаний;
L - индуктивность катушки К;
Rн - сопротивление нагрузки.

Для большей определенности и облегчения изложения сути изобретения параллельно коллекторному и эмиттерному переходам транзисторов введены соответственно проходной и входной конденсаторы, а транзистор с обоими конденсаторами объединены в одно устройство - управляемый ключ. Аналогичные заключения относятся к управляемому ключу, выполненному на полевом транзисторе.

Ключевой каскад содержит источник прямоугольных импульсов 1, регулируемый резистор 2, проходной конденсатор 3, входной конденсатор 4, транзистор 5, управляемый ключ 6, дроссель 7, катушку индуктивности 8, нагрузку 9.

Сопротивление регулируемого резистора выбирают таким образом, чтобы длительность спада tсп импульса тока коллектора (строка) транзистора равнялась N периодам свободных колебаний паразитного колебательного контура. Выполнив эти требования, паразитные колебания компенсируются и, следовательно, не проникают в управляющую цепь транзистора. Этим обеспечивается повышение устойчивости ключевого каскада, т. е. достигается положительный эффект. Общественно-полезным в предлагаемом устройстве является то, что при уменьшении амплитуды паразитных колебаний уменьшаются выбросы на вершине полезного выходного сигнала транзистора и исключается возможное превышение предельно допустимых значений выходного напряжения транзистора. Это в конечном счете защищает транзистор от пробоя и, следовательно, повышает надежность работы ключевого каскада.

Кроме того, при компенсации паразитных колебаний очищается спектр выходного сигнала. Необходимо отметить, что вместо катушки индуктивности на практике может использоваться коаксиальный кабель, любой электрический провод, токоведущий проводник печатной платы и т. п. (56) Патент Великобритании N 2177273, кл. H 03 F 1/00, 1987.

Транспортные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме под ред. И. А. Попова. М. : Радио и связь, 1985, с. 36.


Формула изобретения

1. КЛЮЧЕВОЙ КАСКАД, содержащий последовательно соединенные источник прямоугольных импульсов, управляемый ключ, катушку индуктивности и нагрузку, причем управляемый ключ содержит биполярный транзистор, входной и проходной конденсаторы, эмиттер транзистора соединен с общей шиной каскада, а база и коллектор транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а выход управляемого ключа через дроссель соединен с шиной питания каскада, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости путем уменьшения паразитных колебаний, между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений
R= ;
tсп = N T,
где tсп - время спада импульса коллекторного тока;
Uв - амплитуда входных импульсов;
E - напряжение отсечки биполярного транзистора;
Uп - напряжение питания;
Cп - емкость проходного конденсатора;
N = 1,2,3,4, . . . ;
T= - период паразитных колебаний;
где L - индуктивность катушки;
Rн - сопротивление нагрузки.

2. Каскад по п. 1, отличающийся тем, что управляемый ключ содержит полевой транзистор, входной и проходной конденсаторы, исток полевого транзистора соединен с общей шиной каскада, а затвор и сток транзистора являются соответственно входом и выходом управляемого ключа, входной конденсатор включен между входом управляемого ключа и общей шиной каскада, проходной конденсатор включен между входом и выходом управляемого ключа, а между источником прямоугольных импульсов и входом управляемого ключа введен регулируемый резистор, сопротивление которого выбирают из соотношений
R= _ ;
tсп = N T,
где U1 - пороговое напряжение затвор - исток полевого транзистора;
U2 - граничное напряжение затвор-исток, при котором полевой транзистор полностью открыт;
tсп - время спада импульса тока стока полевого транзистора;
Q1, Q2 - соответственно заряд затвора полевого транзистора при напряжениях U1, U2;
N = 1,2,3,4, . . . ;
T= ,
где L - индуктивность катушки;
Rн - сопротивление нагрузки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и электроники

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в автоматике , телемеханике, вычислительной технике и связи

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в цепях управления электронными ключами при частоте срабатывания ключа меньше частоты наведенного напряжения, в устройствах автоматики

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для использования в контролируемых электронных коммутирующих устройствах

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для кодирования рельсовых цепей в числовой кодовой автоблокировке и .электрической централизации

Изобретение относится к области измерения и преобразования сигнала тензорезисторных датчиков

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для включения и отключения трехфазной нагрузки

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для выполнения функций адресной коммутации на два цифровых информационных выхода с уровнем транзисторно-транзисторной логики множества входных цифровых дифференциальных сигналов в сложной помеховой обстановке

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и предназначено для выполнения функции адресной коммутации на два цифровых информационных выхода с уровнем транзисторно-транзисторной логики множества входных цифровых дифференциальных (разностных) сигналов любого двухполярного двухуровневого или трехуровневого самосинхронизирующегося последовательного двоичного кода и может быть использовано, например, при построении многоканальных устройств для ввода информации в системах проводной цифровой связи

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовых преобразователях высокой мощности, таких как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)

Изобретение относится к управлению работой электронных вентилей, имеющих изолированный затвор, в частности к управлению работой биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ)

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в коммутационной схеме управления потребителем (М) электроэнергии с мостовой схемой

Изобретение относится к вычислительной технике, информационно-измерительной технике, автоматике и промышленной электронике и может быть использовано, в частности, для коммутации резисторов в цифроаналоговых преобразователях и в мостовых цепях для определения параметров двухполюсников и параметров схемы замещения датчиков. Техническим результатом является уменьшение прямого сопротивления и остаточного напряжения коммутатора. Устройство содержит операционный усилитель, формирователь управляющих напряжений, формирователь питающего напряжения, два источника постоянного напряжения различной полярности, два p-n-p транзистора, два n-p-n транзистора, резисторы. 1 ил.

Изобретение относится к области электроники, в частности к устройствам приема и передачи информации по проводным линиям связи. Технический результат заключается в создании простого и надежного устройства приемопередатчика с элементом гальванической развязки и малым током потребления. Приемопередатчик последовательного интерфейса с элементом гальванической развязки содержит элемент гальванической развязки, последовательно включенные кодирующее устройство входной информации, формирователь длительности импульсов, оконечный усилитель передатчика, а также последовательно включенные входной усилитель приемника и декодирующее устройство, причем элемент гальванической развязки включен между оконечным усилителем передатчика и линий связи, а вход усилителя приемника подключен к выходу оконечного усилителя передатчика, при этом входные сигналы, поступающие на элемент гальванической развязки, кодируются двумя разнополярными импульсами, соответствующими фронту и спаду входного сигнала. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области коммутационных сред для вычислительных систем и может быть использовано как выходной буферный каскад передатчика в высокоскоростных мультиканальных интерфейсах. Техническим результатом является уменьшение дрожания выходного сигнала и увеличение диапазона дифференциального размаха выходного напряжения путем обеспечения возможности передачи высокоскоростного потока данных. Устройство содержит основной управляемый источник стабильного тока, формирователь основного опорного напряжения, пару основных источников тока, пару основных ключей, дублер основного ключа, пару терминирующих резисторов, пару дифференциальных катушек, вспомогательный источник тока, пару вспомогательных ключей, дублер вспомогательного источника тока, дублер вспомогательного ключа, вспомогательный управляемый источник стабильного тока и формирователь вспомогательного опорного напряжения. 1 ил.

Изобретение относится к переключающимся схемам. Технический результат заключается в уменьшении нагрузки на схему формирователя сигналов управления затвором. Переключающая схема включает в себя: первый переключающий элемент; резистор, вставленный между управляющим электродом первого переключающего элемента и схемой управления, которая выполняет управление переключением для первого переключающего элемента; и первый конденсатор и второй переключающий элемент, подключенные между управляющим электродом первого переключающего элемента и электродом на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Электрод на стороне с высоким потенциалом второго переключающего элемента подключен к управляющему электроду первого переключающего элемента. Электрод на стороне с низким потенциалом второго переключающего элемента подключен к одному электроду первого конденсатора. Другой электрод первого конденсатора подключен к электроду на стороне с низким потенциалом первого переключающего элемента. Управляющий электрод второго переключающего элемента подключен к электроду резистора, подключенного к схеме управления. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Ключевой каскад, включение с общим эмиттером, коммутатор на полевом транзисторе, биполярный транзистор с общим коллектором, каскад с общим эмиттером, биполярный транзистор с общим эмиттером

Наверх