ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H03F3/34 H03F3/42 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).

Известны промежуточные каскады на основе структур “общий эмиттер - общая база”, которые стали основой построения современных аналоговых микросхем [1, 2]. Проблема улучшения их коэффициента усиления и частотных свойств относится к числу одной из проблем современной аналоговой микросхемотехники.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является широкополосный усилитель (ШУ), содержащий преобразователь “напряжение-ток” входного каскодного усилителя, выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора входного каскодного усилителя, выходной усилитель, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора входного каскодного усилителя и выходом каскодного усилителя [3].

Существенный недостаток известного ШУ состоит в том, что он имеет недостаточно большой коэффициент усиления по напряжению в широком диапазоне частот, невысокие значение верхней граничной частоты ω _в, которая ограничивается постоянной времени τ _в=С_кR_н=ω _в ^-1, где С_к – емкость коллекторного перехода выходного транзистора входного каскодного усилителя, Rн - сопротивление нагрузки в цепи коллектора выходного транзистора входного каскодного усилителя.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению и/или увеличении верхней граничной частоты, т.е. в улучшении одного из важнейших параметров - площади усиления, которая характеризует “усилительный ресурс” устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном усилителе, содержащем преобразователь “напряжение-ток” входного каскодного усилителя, выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора входного каскодного усилителя, выходной усилитель, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора входного каскодного усилителя и выходом каскодного усилителя, в качестве выходного усилителя используется дифференциальный каскад, второй вход которого соединен по переменному току со входом дополнительного неинвертирующего усилителя тока и базой вспомогательного транзистора, выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора, а коллектор вспомогательного транзистора связан с первым входом дифференциального усилителя и коллектором выходного транзистора входного каскодного усилителя.

Предлагаемый широкополосный усилитель (фиг.1) содержит входной каскодный усилитель, включающий преобразователь “напряжение-ток” 1, выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2 входного каскодного усилителя, выходной усилитель 3, первый вход которого 4 соединен с выходом 5 входного каскодного усилителя и коллектором выходного транзистора 2 входного каскодного усилителя. В качестве выходного усилителя 3 используется симметричный дифференциальный каскад, который помимо первого входа 4 имеет второй вход 6, соединенный со входом дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 и базой вспомогательного транзистора 8. Выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока 7 подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора 8, коллектор которого связан с первым входом 4 выходного дифференциального усилителя 3, коллектором выходного транзистора 2 входного каскодного усилителя и его выходом 5. В качестве коллекторной нагрузки транзисторов 2 и 8 в ряде применений может использоваться дополнительный двухполюсник 9 или входные цепи выходного усилителя 3.

В устройстве по п.2 формулы изобретения (фиг.2а, фиг.2б) транзисторы 2 и 8 имеют разные типы проводимости.

В частных случаях (п.3 формулы изобретения) между эмиттерами транзисторов 2 и 8 может включаться вспомогательный резистор 10.

В качестве элемента нагрузки входного каскодного усилителя может применяться дополнительный двухполюсник 9 (фиг.3) или входные цепи выходного усилителя 3.

На чертеже фиг.4 приведена схема фиг.1 с указанием переменных токов и напряжений, поясняющая работу заявляемого устройства.

На чертеже фиг.5 показана принципиальная схема широкополосного усилителя, соответствующего структурной схеме фиг.1. Пример построения rail-to-rail операционного усилителя на базе схемы фиг.1 показан на чертеже фиг.6.

На чертеже фиг.7 приведена принципиальная схема операционного усилителя в соответствии с функциональной схемой фиг.2а.

Рассмотрим работу схемы фиг.1 (фиг.4) в двух случаях - когда отсутствуют элементы 7, 8 и узел 6 и когда они введены. В первом случае схема фиг.4 соответствует усилителю-прототипу, во втором - заявляемому устройству.

Анализ усилителя-прототипа. Входное напряжение u_вх широкополосного усилителя преобразуется преобразователем “напряжение-ток” 1 в приращение эмиттерного тока i_э2 транзистора 2. Поэтому ток коллектора транзистора 2 i_к2 создает в узле 5 и на двухполюснике 9 напряжение u₅

u₅=i_к2R_н.экв=SR_н.эквu_вх=К_у1u_вх,

где R_н.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки в цепи коллектора транзистора 2,

К_у1=SR_н.экв=u₅/u_вх - коэффициент усиления по напряжению входного каскодного усилителя.

Причем

где R₉ - сопротивление двухполюсника 9;

r_к2 - сопротивление коллекторного перехода транзистора 2;

у_вх.12 - входная дифференциальная проводимость каскада 3.

Последнее (достаточно точное) выражение для R_н.экв получено при условии, что конвертор “напряжение-ток” 1 имеет большое выходное сопротивление. Общий коэффициент усиления от узла “вход” до узла “выход”

К∑ =K_y1·_Кu3,

где К_u3 - коэффициент усиления каскада 3.

Повышение коэффициента усиления по напряжению входного каскодного усилителя К_у1=SR_н.экв в усилителе-прототипе связано с решением трех задач - с одновременным увеличением трех не зависящих друг от друга составляющих эквивалентного сопротивления нагрузки R₉, r_к2,

Это является существенным недостатком усилителя-прототипа, т.к. импедансы R₉, r_к2, у_вх.12 имеют разную физическую природу и, в этой связи, не могут превышать определенных предельных значений. Так r_к2 определяется эффектом модуляции толщины базы транзистора и не превышает, как правило, сотен килоом. Двухполюсник R9 реализуется, как правило, в виде транзисторных источников тока и поэтому R9 также соизмеримо с r_к2. Сопротивление R_вх.12 зависит от способа построения каскада 3. При его реализации по типовой схеме R_вx.12=20÷ 200 кОм.

Анализ заявляемого усилителя. В заявляемом усилителе за счет введения новых элементов и связи между ними создаются условия, при которых обеспечивается одновременное повышение (на 1-2 порядка) эффективных значений R₉, r_к2 и R_вх.12. Действительно, для переменных токов, протекающих через r_к2, r_к8, R_вх.12 справедливы следующие формулы:

В связи с тем, что дифференциальный каскад 3 обладает высокой симметрией, в цепи его входа 6 протекает ток i₆, равный току i₄:

Поэтому входной и выходной токи усилителя 7

i_вх.7=i_r2+i_r8+i₄,

i_вых.7=К_i.1(i_r2+i_r8+i₄).

В результате передачи тока i_вых.7 через транзистор 8 в коллекторную цепь, в узле 5 произойдет взаимная компенсация близких по величине токов, что эквивалентно повышению эффективного сопротивления в узле 5

i∑ =i₉+i_r2+i_r8+i₄-α ₈K_i.1(i_r2+i_r8+i₄),

y_н.экв=у₉+у_к2(1-α₈К_i.1)+y_к8(1-α₈K_i.1)+y_вх.12(1-α₈К_i.1).

В ряде случаев (п.2, п.3 формулы изобретения) двухполюсник 9 отсутствует (т.е. у₉=0). Поэтому для данных схем

где - эквивалентное сопротивление нагрузки в узле 5 при

Так как α₈≈_{1, Кi.1≈1, то , а коэффициент усиления Кy.1эф в заявляемом устройстве повышается (в сравнении с усилителем-прототипом) в d-раз}

Данный эффект достигается одновременной компенсацией влияния импедансов различных подсхем R₉, r_к2, r_к8, R_вх.12 на коэффициент усиления входного каскодного усилителя К_у.1эф.

Заметим, что на высоких частотах начинает проявляться влияние на K_y.1 емкостей коллектор-база транзисторов 2 и 8, а также входной емкости каскада 3. Однако данные импедансы (при достаточно высокочастотном усилителе тока 7) также компенсируются, что повышает верхнюю граничную частоту устройства в целом.

Компьютерное моделирование частных вариантов заявляемого устройства, выполненное в среде PSpice, подтверждает эффективность рассмотренных схемотехнических решений - коэффициент усиления повышается более чем на порядок, а верхняя граничная частота - в 5-9 раз.

Литература

1. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры. / А.Г.Алексеенко. - Изд. 2-е, перерабю и доп. - М., “Сов. радио”, 1977. – 408 с.

2. Проектирование и применение операционных усилителей. / Под ред. Дж.Грэма, Дж.Тоби, Л.Хьюлсмана // Пер. с англ. В.И.Левина и И.М.Хейфеца под. ред. к.т.н. И.Н.Теплюка. - М.: Изд-во Мир, 1974.

3. Ламекин В.Ф. Широкополосные интегральные усилители / В.Ф.Ламекин // Под ред. С.Я.Шаца. - М.: Сов. радио, 1980. - С.102. - Рис.2.19.

Устройство относится к радиотехнике и связи и может использоваться в качестве промежуточных каскадов различных микроэлектронных устройств усиления и преобразования аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления по напряжению и верхней граничной частоты, т.е. площади усиления. Устройство содержит преобразователь "напряжение-ток" (1) входного каскодного усилителя (КУ), выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора (Т) (2) входного КУ, выходной усилитель (3), первый вход которого соединен с коллектором Т (2) и выходом КУ. При этом, в качестве выходного усилителя (3) используется дифференциальный каскад, второй вход которого соединен по переменному току с входом дополнительного неинвертирующего усилителя тока (УТ) (7) и базой вспомогательного Т (8). Выход УТ (7) подключен к эмиттеру Т (8), а коллектор Т (8) связан с первым входом дифференциального усилителя (3) и коллектором выходного Т (2) входного КУ. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Широкополосный усилитель, содержащий преобразователь "напряжение-ток" входного каскадного усилителя, выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора входного каскадного усилителя, выходной усилитель, первый вход которого соединен с коллектором выходного транзистора входного каскадного усилителя и выходом каскадного усилителя, отличающийся тем, что в качестве выходного усилителя используется дифференциальный каскад, второй вход которого соединен по переменному току со входом дополнительного неинвертирующего усилителя тока и базой вспомогательного транзистора, выход дополнительного неинвертирующего усилителя тока подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора, а коллектор вспомогательного транзистора связан с первым входом дифференциального усилителя и коллектором выходного транзистора входного каскадного усилителя.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходной транзистор входного каскадного усилителя и вспомогательный транзистор имеют разные типы проводимости.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттеры выходного транзистора входного каскадного усилителя и вспомогательного транзистора соединены друг с другом через вспомогательный резистор.