УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД Российский патент 1997 года по МПК H03F3/45 H03F3/42 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано для усиления сигналов.

Известен усилительный каскад [1] содержащий активный и нагрузочный полевые транзисторы, повторитель напряжения со сдвигом уровней и полевой транзистор обратной связи. При этом исток активного транзистора соединен с общей шиной, а его сток с истоком нагрузочного транзистора, затвор и исток которого объединены, а сток соединен с шиной питания. Вход повторителя напряжений подключается к истоку нагрузочного транзистора, а его выход к затвору транзистора обратной связи, сток которого соединен с истоком нагрузочного транзистора, а исток с общей шиной. Все транзисторы каскада работают в активном режиме. Входным напряжением каскада является напряжение на затворе активного транзистора, а выходным напряжение на выходе повторителя.

Коэффициент усиления данного каскада определяется отношением крутизны активного транзистора к крутизне транзистора обратной связи и не зависит от технологического разброса. Однако вследствие нелинейного характера проходной характеристики транзисторов указанное отношение, а следовательно, и коэффициент усиления зависят от входного напряжения, что приводит к значительной нелинейности усилительного каскада.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является усилительный каскад, в котором линейность повышается за счет подавления нелинейных искажений, обусловленных четными гармониками. Он образован транскондактором с повышенной линейностью и резистивной нагрузкой [2] (фиг.4). В нем транзисторы 1 и 2 образуют первую, а транзисторы 3 и 4 вторую пары идентичных полевых транзисторов. При этом затворы транзисторов 1 и 3 объединены, истоки соединены с общей шиной, а стоки соединены с истоками транзисторов 2 и 4 соответственно. Затвор транзистора 2 соединен с истоком транзистора 4, а затвор транзистора 4 с истоком транзистора 2. Стоки транзисторов 2 и 4 соединены с шиной питания. К точке соединения стока транзистора 3 и истока транзистора 4 подключается резистивная нагрузка 5. Все транзисторы каскада работают в активном режиме. Входным напряжением каскада является напряжение на затворах транзисторов 1 и 3, а выходным напряжение на нагрузке 5.

В дальнейших рассуждениях считается, что в активном режиме ток стока полевого транзистора полностью определяется напряжением затвор-исток (приближение нулевой выходной проводимости транзисторов), а ток затвора пренебрежимо мал.

Поскольку транзисторы первой пары идентичны и находятся в активном режиме, а их токи стока равны, то напряжения затвор-исток транзисторов первой пары также равны. В этом случае напряжение затвор-исток транзистора 4, которое тождественно равно напряжению исток-затвор транзистора 2, оказывается равным инвертированному входному напряжению. Таким образом, напряжения затвор-исток второй пары идентичных транзисторов равны по величине входному напряжению, но имеют противоположные знаки. Это приводит к тому, что передаточная характеристика усилительного каскада, описываемая выражением
V_вых(V_вх) R_н(I_пр3 (V_вх)-I_пр4 (-V_вх)),
где функции I_пр3(V) и I_пр4(М) описывают проходные характеристики полевых транзисторов 3 и 4 соответственно, а R_н - сопротивление нагрузки 5 оказывается нечетной функцией входного напряжения V_вх. При этом подавляются нелинейные искажения, обусловленные четными гармониками. При этом максимальная амплитуда четных гармоник определяется лишь конечным значением выходной проводимости транзисторов.

Коэффициент усиления каскада подвержен технологическому разбросу, так как определяется произведением параметров разнородных элементов (крутизной транзисторов и сопротивлением нагрузки).

Для построения усилителя с гальванической связью между каскадами в данном каскаде необходимо введение дополнительных цепей сдвига уровней напряжения.

В случае отклонения проходной характеристики полевого транзистора от квадратичного закона, как это имеет место, например, для полевых транзисторов с затвором Шоттки на основе арсенида галлия, возникают значительные нелинейные искажения, обусловленные нечетными гармониками, которые в данном усилительном каскаде не подавляются совсем.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание усилительного каскада с более высокой линейностью.

Сущность изобретения заключается в том, что в усилительном каскаде, содержащем первую и вторую пары идентичных полевых транзисторов, причем истоки первых транзисторов пар соединены с общей шиной, стоки вторых транзисторов пар соединены с шиной источника питания, стоки первых транзисторов пар соединены с истоками вторых транзисторов пар, а затвор второго транзистора каждой пары соединен с истоком второго транзистора другой пары, транзисторы второй пары осуществляют взаимную компенсацию нелинейных искажений как четных, так и нечетных гармоник путем сравнения входного инвертированного напряжения, подаваемого между затвором и истоком второго транзистора второй пары и части выходного напряжения каскада, которое подается на затвор первого транзистора второй пары с выхода делителя напряжения, вход которого соединен с выходом усилителя, образованного выходом повторителя напряжения со сдвигом уровней, вход которого соединен с затвором второго транзистора второй пары, при этом коэффициент усиления каскада определяется коэффициентом деления делителя и равен ему, а повторитель со сдвигом уровней, осуществляя развязку между цепью сравнения напряжений (вторая пара транзисторов) и делителем вместе с другими возможными нагрузочными цепями каскада, обеспечивает повышение линейности за счет повышения точности сравнения напряжений и задает режим работы первых транзисторов пар.

На фиг. 1 представлена схема предложенного усилительного каскада; на фиг. 2 зависимости коэффициентов гармоник предложенного усилительного каскада (кривая 1) и прототипа (кривая 2) от амплитуды входного напряжения; на фиг. 3 показана реализации повторителя напряжения со сдвигом уровней и делителя напряжения; на фиг. 4 представлена схема прототипа.

Усилитель содержит первую пару идентичных полевых транзисторов 1 и 2 и вторую пару идентичных полевых транзисторов 3 и 4, повторитель напряжения со сдвигом уровней 5 и делитель напряжения 6. При этом истоки первых транзисторов 1 и 3 соединены с общей шиной, а их стоки соединены с истоками вторых транзисторов 2 и 4 соответственно. Затвор транзистора 2 соединен с истоком транзистора 4, а затвор транзистора 4 с истоком транзистора 2. Стоки транзисторов 2 и 4 соединены с шиной питания. Вход повторителя 5 подключается к затвору транзистора 4, а его выход соединен со входом делителя 6. Выход делителя 6 соединен с затвором транзистора 3. Все транзисторы каскада работают в активном режиме. Входным сигналом каскада является напряжение на затворе транзистора 1, а выходным напряжение на выходе повторителя 5. Поясним работу предложенного усилительного каскада.

Так как транзисторы первой пары идентичны и находятся в активном режиме, а их токи стока равны, то напряжения затвор-исток транзисторов первой пары также равны. Следовательно, напряжение затвор-исток транзистора 4, которое тождественно равно напряжению исток-затвор транзистора 2, равно инвертированному входному напряжению и не зависит от потенциала истока транзистора 4. Таким образом, транзистор 4 является источником тока, значение которого определяется проходной характеристикой транзистора как функцией инвертированного входного напряжения I_пр4(-V_вх). С другой стороны, ток стока транзистора 3 определяется поделенным в К раз выходным напряжением каскада, где K коэффициент деления делителя 6, и равен I_пр3(V_вых/K). Поскольку токи стока транзисторов 3 и 4 равны, то петля отрицательной обратной связи, которая вводится повторителем 5 и делителем 6, устанавливает такое напряжение на выходе каскада, при котором выполняется равенство
I_пр3(V_вых/K) I_пр4(-V_вх). (1)
Из идентичности транзисторов 3 и 4 следует одинаковость их проходных характеристик, т.е.

I_пр3(V)=I_пр4(V)=I(V) для всех V. (2)
Функция I(V), как правило, является монотонной функцией в области допустимых входных напряжений. Тогда из равенств (1) и (2) следует равенство
V_вых -KV_вх.

Т. е. выходное напряжение каскада равно усиленному в K раз инвертированному входному напряжению. Следовательно, коэффициент усиления каскада равен значению коэффициента деления делителя напряжений и не зависит от входного напряжения, что говорит о высокой линейности предложенного каскада. При этом оказываются подавленными как четные, так и нечетные гармоники, максимальная амплитуда которых определяется лишь конечным значением выходной проводимости транзисторов.

Повторитель напряжения 5 осуществляет развязку между цепью сравнения напряжений (вторая пара транзисторов) и делителем 5 вместе с другими возможными нагрузочными цепями каскада, что дополнительно повышает линейность за счет повышения точности сравнения. Сдвиг уровней напряжения повторителя 5 определяет напряжение на стоках транзисторов 1 и 3 в точке покоя и выбирается вместе с напряжением питания таким образом, чтобы все транзисторы каскада находились в активном режиме.

Предложенный усилительный каскад выполнен на нормально-открытых полевых транзисторах с затвором Шоттки на основе арсенида галлия. При этом повторитель 5 выполняется в виде истокового повторителя напряжений, в котором в качестве цепи сдвига уровней используется цепь прямосмещенных диодов. Делитель 6 выполняется в виде резистивного делителя напряжений, который обеспечивает независимость коэффициента деления от напряжения и его устойчивость к технологическому разбросу.

Заметим, что если функции первых пар транзисторов предложенного каскада и прототипа совпадают, т.е. формируют "плавающий" источник инвертированного входного напряжения, то функции вторых пар существенно отличаются. Транзисторы второй пары прототипа являются активными транзисторами, которые работают на резистивную нагрузку, а их идентичность используется для подавления нелинейных искажений, обусловленных лишь четными гармониками. В предложенном усилительном каскаде транзисторы второй пары осуществляют сравнение своих напряжений затвор-исток, а их идентичность используется для взаимной компенсации нелинейных искажений как четных, так и нечетных гармоник, чем и достигается более высокая линейность.

Особо следует отметить, что в предложенном каскаде по сравнению с прототипом уровень нелинейных искажений, обусловленных нечетными гармониками, гораздо ниже. Это имеет особо важное значение для ряда приложений, в которых именно нечетные гармоники определяют качественные показатели систем (например, интермодуляционные искажения третьего порядка в многоканальных системах).

Коэффициент усиления предложенного каскада, в описанном исполнении, устойчив к технологическому разбросу в интегральной технологии, так как определяется лишь отношением номиналов резисторов резистивного делителя напряжений.

Сдвиг уровня выходного напряжения, осуществляемый повторителем, позволяет на основе предложенного каскада строить усилители с гальванической связью между каскадами.

Численное моделирование предложенного усилительного каскада и прототипа, выполненных на арсенид-галлиевых полевых транзисторах с затвором Шоттки с типичными для интегральной технологии параметрами, показывает, что амплитуды вторых гармоник обоих каскадов равны по порядку величины, в то время как амплитуда третьей гармоники у предложенного каскада оказывается на порядок меньше, чем у прототипа. Более высокую линейность предложенного каскада доказывает также сравнение зависимостей коэффициентов гармоник (фиг. 2) предложенного каскада (кривая 1) и прототипа (кривая 2) от амплитуды входного напряжения. Динамические характеристики предложенного каскада не хуже, чем у традиционно используемых широкополосных усилительных каскадов с местной обратной связью [1]
Таким образом, по сравнению с прототипом предложенный усилительный каскад обладает более высокой линейностью, устойчивостью к технологическому разбросу и позволяет строить усилители с гальванической связью между каскадами при удовлетворительных динамических характеристиках.

Источники информации
1.Donald Estreich. A Monolithic Wide-Band GaAs IC Amplifier. IEEE Journal of Solid State Circuits, vol. sc-17, N 6, 1982.

2. David G. Haigh, Chris Toumazou. Synthesis of transconductor/ multiplier circuits for gallium arsenide technology. IEEE Transactions on Circuits and Systems. vol. 39, pp. 81-92, N 2, 1992.

Относится к микроэлектронике и может использоваться для усиления сигналов. Усилительный каскад содержит первую и вторую пары идентичных полевых транзисторов, причем истоки первых транзисторов пар соединены с общей шиной, стоки вторых транзисторов пар соединены с шиной источника питания, стоки первых транзисторов пар соединены с истоками вторых транзисторов пар, затвор второго транзистора первой пары соединен с истоком второго транзистора второй пары, а затвор второго транзистора второй пары с истоком второго транзистора первой пары, повторитель напряжения со сдвигом уровней и делитель напряжения, выход которого соединен с затвором первого транзистора второй пары, а выход - с выходом повторителя напряжения со сдвигом уровней, вход которого подключен к затвору второго транзистора второй пары. 4 ил.

Усилительный каскад, содержащий первую и вторую пары идентичных полевых транзисторов, причем истоки первых транзисторов пар соединены с общей шиной, стоки вторых транзисторов пар соединены с шиной источника питания, стоки первых транзисторов пар соединены с истоками вторых транзисторов пар, затвор второго транзистора первой пары соединен с истоком второго транзистора второй пары, а затвор второго транзистора второй пары с истоком второго транзистора первой пары, отличающийся тем, что он содержит повторитель напряжения со сдвигом уровней и делитель напряжения, выход которого соединен с затвором первого транзистора второй пары, а вход с выходом повторителя напряжения со сдвигом уровней, вход которого подключен к затвору второго транзистора второй пары.