ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2006 года по МПК H03F1/42 H03F3/45 

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

Известны широкополосные усилители (ШУ) на основе дифференциальных каскадов, которые стали основой построения современных аналоговых микросхем радиочастотного диапазона [1, 3]. Проблема улучшения их параметров - входного сопротивления, частотных свойств - относится к числу основных проблем современной аналоговой микросхемотехники.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является широкополосный усилитель (патент SU 1806440), содержащий дифференциальный каскад с основным 1 входом, являющимся входом широкополосного усилителя, и вспомогательным входом 2, выполненный на транзисторах 3, 4, эмиттеры которых соединены, а коллекторы связаны с резисторами 5, 6 цепи нагрузки, и неинвертирующий усилитель тока, выполненный на выходном транзисторе 7.

Существенный недостаток известного ШУ (фиг.1) состоит в том, что он не обеспечивает усиление входных сигналов постоянного тока, а также характеризуется «привязкой» выходов только к одной шине источника питания.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона широкополосного усилителя.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном усилителе, содержащем дифференциальный каскад с основным 1 входом, являющимся входом широкополосного усилителя, и вспомогательным входом 2, выполненный на транзисторах 3, 4, эмиттеры которых соединены, а коллекторы связаны с резисторами 5, 6 цепи нагрузки, и неинвертирующий усилитель тока, выполненный на выходном транзисторе 7, вводятся новые элементы и связи - дифференциальный каскад выполнен на транзисторах 3, 4 разного типа проводимости, а неинвертирующий усилитель тока дополнительно содержит входной транзистор 8, коллектор и база которого объединены и соединены с источником тока 9 и вспомогательным входом 2 дифференциального каскада, эмиттер связан с эмиттером выходного транзистора 7 противоположного типа проводимости, коллектор которого подключен к основному входу 1 дифференциального каскада.

Предлагаемый широкополосный усилитель (фиг.2) содержит дифференциальный каскад с основным 1 входом, являющимся входом широкополосного усилителя, и вспомогательным входом 2, выполненный на транзисторах 3, 4, эмиттеры которых соединены, а коллекторы связаны с резисторами 5, 6 цепи нагрузки, и неинвертирующий усилитель тока, выполненный на выходном транзисторе 7, дифференциальный каскад выполнен на транзисторах 3, 4 разного типа проводимости, а неинвертирующий усилитель тока дополнительно содержит входной транзистор 8, коллектор и база которого объединены и соединены с источником тока 9 и вспомогательным входом 2 дифференциального каскада, эмиттер связан с эмиттером выходного транзистора 7 противоположного типа проводимости, коллектор которого подключен к основному входу 1 дифференциального каскада, являющимся входом широкополосного усилителя.

На фиг.3 показана схема предлагаемого устройства, которая исследовалась авторами в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП «Пульсар», а на фиг.4 - зависимость ее верхней граничной частоты F_c входного сопротивления (по уровню 3 Дб) от сопротивления резистора 6 (R₁).

Усилитель (фиг.2) работает следующим образом.

В статическом режиме коллекторные токи транзисторов 3, 4 и 7, 8 равны току источника тока 9. При идентичных р-n переходах транзисторов 3, 7 и 4, 8 напряжение смещения нуля усилителя (статическая ошибка между входами Вх.1, Вх.2) близко к нулю. Это позволяет применять данное устройство в качестве усилителя разностного сигнала.

За счет изменения отношения сопротивления резисторов 5 и 6 можно в достаточно широких пределах управлять верхней граничной частотой входного сопротивления (по уровню 3 Дб) - F_c (фиг.4). Это объясняется тем, что при R₅=0, а также при R₆=0 емкостная составляющая входного сопротивления усилителя, обусловленная емкостями коллекторных переходов транзисторов 3 и 4, не компенсируется. В то же время при выборе R₅≈R₆ в схеме (фиг.2) реализуется компенсация емкостной составляющей входного сопротивления, что повышает верхнюю граничную частоту F_c в 5-10 раз (фиг.4).

Исключение разделительных конденсаторов из схемы также расширяет диапазон рабочих частот усилителя от сотен мегагерц до нуля герц.

Проведение компьютерного моделирования в среде PSpice подтверждает преимущества заявляемого устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронпой аппаратуры /А.Г.Алексеенко. - Изд. 2-е, перераб и доп. - М.: Сов. радио, 1977. - 408 с.

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

3. Алексеенко А.Г. Макромоделирование аналоговых интегральных микросхем /А.Г.Алексеенко, Б.И.Зуев, В.Ф.Ламекин, И.А.Романов. - М.: Радио и связь, 1983. - С.48. - Рис. 2.8.

4. Патент SU 1806440.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в различных микроэлектронных устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов. Технический результат заключается в снижении входной проводимости усилителя в широком диапазоне частот и, как следствие, повышении верхней граничной частоты. Широкополосный усилитель (ШУ) содержит дифференцальный каскад (ДК) с основным (1) входом, являющимся входом ШУ, и вспомогательным входом (2), выполненный на транзисторах (Т) (3, 4), эмиттеры которых соединены, а коллекторы связаны с резисторами (5, 6) цепи нагрузки, и неинвертирующий уилитель тока (НУТ), выполненный на выходном Т (7), при этом ДК выполнен на Т (3, 4) разного типа проводимости, а НУТ дополнительно содержит входной Т (8), коллектор и база которого объединены и соединены с источником тока (9) и вспомогательным входом (2) ДК, эмиттер связан с эмиттером выходного Т (7) противоположного типа проводимости, коллектор которого подключен к основному входу (1) ДК. 4 ил.

Широкополосный усилитель, содержащий дифференциальный каскад с основным (1) входом, являющимся входом широкополосного усилителя, и вспомогательным входом (2), выполненный на транзисторах (3), (4), эмиттеры которых соединены, а коллекторы связаны с резисторами (5), (6) цепи нагрузки, и неинвертирующий усилитель тока, выполненный на выходном транзисторе (7), отличающийся тем, что дифференциальный каскад выполнен на транзисторах (3), (4) разного типа проводимости, а неинвертирующий усилитель тока дополнительно содержит входной транзистор (8), коллектор и база которого объединены и соединены с источником тока (9) и вспомогательным входом (2) дифференциального каскада, эмиттер связан с эмиттером выходного транзистора (7) противоположного типа проводимости, коллектор которого подключен к основному входу (1) дифференциального каскада.