ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК H03F3/34 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в структуре широкополосных аналоговых устройств различного функционального назначения.

Известны широкополосные усилители на основе дифференциальных каскадов, которые стали основой построения современных аналоговых микросхем радиочастотного диапазона. Проблема расширения их полосы пропускания относится к числу одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.

В современной аналоговой электронике широкое распространение получили широкополосные дифференциальные усилители (ШУ), у которых входной параллельно-балансный каскад нагружен на выходной каскад, выполненный в виде вспомогательных усилителей по схеме с общей базой (так называемых «перегнутых» каскадов) [1-7]. По такой архитектуре выполнены широкополосные операционные усилители НА-5190, НА-2539 ведущих микроэлектронных фирм, а также российские экспериментальные усилители [6] (г.Зеленоград, НИИ «Микрон»). Кроме этого, авторам известны разработки по данной архитектуре широкополосных усилителей, которые реализованы с использованием дискретных элементов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является широкополосный усилитель (ШУ), описанный в монографии [Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989, стр.103, рис.6.11 (ОУ НА5190)], содержащий (фиг.1) входной параллельно-балансный каскад 1, выполненный на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов с объединенными эмиттерами, выходной транзистор 4 первого источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен с шиной первого источника питания 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные усилители тока, выходы которых 9 и 10 связаны с выходом широкополосного усилителя 11, причем вход 12 первого вспомогательного усилителя тока 7 соединен с выходом 13 входного параллельно-балансного каскада 1.

Существенный недостаток известного ШУ состоит в том, что он имеет сравнительно невысокие значения верхней граничной частоты f_в, которая оказывается значительно меньше, чем верхняя граничная частота применяемых транзисторов. Это связано с отрицательным влиянием на f_в емкости коллекторного перехода выходного транзистора 4 первого источника опорного тока. Действительно, как показано на эквивалентной схеме фиг.2 на высоких частотах емкость коллекторного перехода С_к4 транзистора 4 шунтирует канал передачи высокочастотного сигнала в цепь эмиттера транзистора 3. Это снижает на высоких частотах крутизну преобразования входного напряжения в выходной ток ДУ, и как следствие, коэффициент усиления по напряжению ДУ.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении верхней граничной частоты путем уменьшения шунтирующего влияния на f_в паразитной емкости коллекторного перехода С_к4 выходного транзистора 4 первого источника опорного тока. Данный эффект достигается за счет организации на базе емкости С_к4 параллельного высокочастотного канала, который оказывает положительное влияние на f_в и максимальную скорость нарастания выходного напряжения ϑ_вых ШУ в режиме большого сигнала. Эти эффекты особенно проявляются при малых статических токах эмиттера входных транзисторов.

Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном усилителе (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, выполненный на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов с объединенными эмиттерами, выходной транзистор 4 первого источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен с шиной первого источника питания 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные усилители тока, выходы которых 9 и 10 связаны с выходом широкополосного усилителя 11, причем вход 12 первого вспомогательного усилителя тока 7 соединен с выходом 13 входного параллельно-балансного каскада 1, введены новые связи - база выходного транзистора 4 источника опорного тока подключена ко входу 15 второго вспомогательного усилителя тока 8.

Предлагаемый широкополосный усилитель (фиг.3) содержит входной параллельно-балансный каскад 1, выполненный на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов с объединенными эмиттерами, выходной транзистор 4 первого источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами первого 2 и второго 3 входных транзисторов, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник 5 соединен с шиной первого источника питания 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные усилители тока, выходы которых 9 и 10 связаны с выходом широкополосного усилителя 11, причем вход 12 первого вспомогательного усилителя тока 7 соединен с выходом 13 входного параллельно-балансного каскада 1. База выходного транзистора 4 источника опорного тока подключена ко входу 15 второго вспомогательного усилителя тока 8.

На фиг.2 приведена эквивалентная схема для высоких частот общей эмиттерной цепи ШУ фиг.1.

На фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.4, на фиг.5 - п.3, а на фиг.6 - п.5 формулы изобретения.

На фиг.7 показана схема заявляемого широкополосного усилителя в соответствии с п.2 формулы изобретения в среде PSpice на транзисторах НПО «Интеграл» (г.Минск), а на фиг.8 - результаты ее компьютерного моделирования при различных значениях емкости коллектор-база транзистора Q3 (соответствующей емкости С_к4), где обозначено:

Sy - крутизна преобразования входного напряжения ШУ в его выходной ток. Из данного чертежа следует, что в заявляемом устройстве емкость С_к4 положительно влияет на расширение полосы пропускания ШУ.

На фиг.9 представлена схема ШУ-прототипа (фиг.1) в среде PSpice на транзисторах НПО «Интеграл» (г.Минск), на фиг.10 - результаты ее компьютерного моделирования при различных значениях емкости коллектор-база транзистора Q3 (соответствующей емкости С_к4), где обозначено:

Sy - крутизна преобразования входного напряжения ШУ в его выходной ток. Из данного чертежа следует, что в ШУ-прототипе емкость С_к4 сужает полосу пропускания.

На фиг.11 представлена схема заявляемого ДУ в соответствии с п.4 формулы изобретения в среде PSpice на транзисторах ФГУП «Пульсар», на фиг.12 - графики зависимости выходного тока ДУ при воздействии на вход усилителя прямоугольного импульса при разных значениях емкости коллектор-база транзистора Q1, соответствующей С_к4.

На фиг.13 представлена схема импульсного операционного усилителя на основе заявляемого устройства, на фиг.14 - переходный процесс на выходе ОУ фиг.13 при разных значениях емкости коллектор-база транзистора Q1 (С_к4). Фиг.15 характеризует выигрыш по быстродействию, который обеспечивает заявляемое устройство в структуре ОУ фиг.13 в зависимости от величины емкости С_к4=С_с.

Рассмотрим работу заявляемого устройства фиг.3 при подаче на вход малого высокочастотного сигнала u_вх.

На низких и средних частотах входное напряжение u_вх делится приблизительно пополам между сопротивлениями эмиттерных переходов транзисторов 2 и 3. Таким образом к емкости С_к4 в диапазоне низких и средних частот прикладывается половина u_вх. С повышением частоты сигнала сопротивление емкости коллекторного перехода уменьшается, что приводит к появлению тока через эту емкость, поступающего на вход 15 вспомогательного усилителя тока 8. При этом за счет шунтирующего влияния С_к4 уменьшается переменная составляющая тока через транзистор 3 и вспомогательный усилитель тока 7, но в то же время увеличивается передача сигнала по каналу «емкость С_к4 - вход 15 вспомогательного усилителя тока 8 - выход широкополосного усилителя II». Данный параллельный канал повышает верхнюю граничную частоту f_в в схеме фиг.3 в несколько раз.

Рассмотрим работу схемы фиг.4 при воздействии на вход импульсного сигнала большой амплитуды, что характерно, например, для входных каскадов быстродействующих операционных усилителей.

Импульсный входной сигнал, поступая на вход 1, практически мгновенно запирает транзистор 3 по цепи эмиттера и практически полностью выделяется на емкости С_к4, создавая ток i_c4. Этот импульсный ток поступает на вход 15 вспомогательного усилителя тока 8 и передается на выход 11 широкополосного усилителя. В результате в нагрузке, подключаемой к выходу 11, формируется сигнал, способствующий быстрому перезаряду емкости нагрузки (фиг.12). Как это следует из фиг.14, 15, это повышает максимальную скорость нарастания выходного напряжению ОУ (фиг.13) до уровня нескольких тысяч В/мкс. При построении симметричных схем (п.3 формулы изобретения) существенный выигрыш (в несколько порядков) по ϑ_вых обеспечивается для двух полярностей входного сигнала.

Рассмотренные выше процессы в схемах заявляемого устройства подтверждаются результатами компьютерного моделирования, представленными на чертежах фиг.7-18.

Источники информации

1. Патент США № 4600893, H 03 F 3/45 (прототип).

2. Патент США № 4837523, H 03 F 3/45.

3. Патент США № 3451001, H 03 F 3/45.

4. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989, стр.103, рис.6.11 (ОУ НА5190).

5. Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В.Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001, С.122 (НА2539).

6. Патент РФ № 2193273, H 03 F 3/45.

7. Ежков Ю.С.Справочник по схемотехнике усилителей. - М.: Радиософт, 2002, с.87, рис.5.21.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве высокочастотных каскадов усиления в различных аналоговых устройствах. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты и максимальной скорости нарастания выходного напряжения. Усилитель (фиг.3) содержит входной параллельно-балансный каскад (1), выполненный на основе первого (2) и второго (3) входных транзисторов (Т) с объединенными эмиттерами, выходной Т (4) первого источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами Т (2, 3), а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (5) соединен с шиной первого источника питания (6), первый (7) и второй (8) вспомогательные усилители тока (УТ), выходы которых (9) и (10) связаны с выходом широкополосного усилителя (11), причем вход (12) первого вспомогательного УТ (7) соединен с выходом (13) входного параллельно-балансного каскада (1), а база выходного Т (4) первого источника опорного тока подключена ко входу (15) второго вспомогательного УТ (8). 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Широкополосный усилитель, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), выполненный на основе первого (2) и второго (3) входных транзисторов с объединенными эмиттерами, выходной транзистор (4) первого источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами первого (2) и второго (3) входных транзисторов, а эмиттер через первый токостабилизирующий двухполюсник (5) соединен с шиной первого источника питания (6), первый (7) и второй (8) вспомогательные усилители тока, выходы которых (9) и (10) связаны с выходом широкополосного усилителя (11), причем вход (12) первого вспомогательного усилителя тока (7) соединен с выходом (13) входного параллельно-балансного каскада (1), отличающийся тем, что база выходного транзистора (4) первого источника опорного тока подключена ко входу (15) второго вспомогательного усилителя тока (8).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый (7) и второй (8) вспомогательные усилители тока выполнены по схеме с общей базой на транзисторах разного типа проводимости.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в схему введены третий (16) и четвертый (17) входные транзисторы с объединенными эмиттерами и выходной транзистор (18) второго источника опорного тока, коллектор которого связан с эмиттерами третьего (16) и четвертого (17) входных транзисторов, а эмиттер через второй токостабилизирующий двухполюсник (19) соединен с шиной второго источника питания (20), причем база выходного транзистора (18) второго источника опорного тока соединена со входом (12) первого вспомогательного усилителя тока (7), коллектор (21) четвертого (17) входного транзистора подключен ко входу (15) второго вспомогательного усилителя тока (8), базы первого (2) и третьего (16), а также второго (3) и четвертого (17) входных транзисторов объединены, и связан со входами широкополосного усилителя.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый (7) и второй (8) вспомогательные усилители тока выполнены в виде токовых зеркал, причем общая шина токового зеркала, входящего в первый (7) вспомогательный усилитель тока, соединена с шиной (20) второго источника питания, а общая шина токового зеркала, входящего во второй (8) вспомогательный усилитель тока, соединена с шиной (6) первого источника питания.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в схему введены первый (23) и второй (24) дополнительные транзисторы, причем база первого (23) дополнительного транзистора соединена с базой первого входного транзистора (2), его эмиттер подключен к коллектору второго дополнительного транзистора (24), причем эмиттер второго дополнительного транзистора (24) связан с дополнительным источником опорного тока (25), а его база подключена ко входу (12) первого вспомогательного усилителя тока (7).