ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ТРАНЗИСТОРЕ ПО СХЕМЕ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ Российский патент 2009 года по МПК H03F3/189 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (в высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, фильтрах и т.д.).

Известны высокочастотные усилители на основе транзисторных каскадов по схеме с общей базой [1-27] и по схеме с общим эмиттером [28-51], которые стали основой построения современных систем связи [1-51]. Проблема улучшения их параметров относится к числу одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является классический высокочастотный усилитель (ВЧУ), рассмотренный в работе Г.С.Остапенко. Усилительные устройства. Учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989, рис.4.30, стр.187, который содержит входной транзистор 1, эмиттер которого является низкоомным входом 2 усилителя, связанным с источником сигнала 3, коллектор - соединен с выходом 4 усилителя и цепью нагрузки 5, а база связана с цепью высокочастотной коррекции 6.

Существенный недостаток известного ВЧУ состоит в том, что он не обеспечивает стабильные усилительные параметры при изменении постоянной составляющей источника сигнала в широких пределах (вплоть до отрицательных значений). Этот недостаток наиболее существенно проявляется при использовании заявляемого устройства в качестве предусилителя сигнала от различных датчиков и длинных линий, когда постоянная составляющая напряжения источника сигнала может изменяться в широких пределах. Кроме этого замена биполярных транзисторов на полевые также создает в известных устройствах проблемы с обеспечением статического режима.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в обеспечении высокой стабильности статического режима ВЧУ при изменении свойств источника сигнала на постоянном токе в широких пределах. Дополнительная цель состоит в уменьшении нелинейных искажений сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известном ВЧУ (фиг.1), содержащем входной транзистор 1, эмиттер которого является низкоомным входом 2 усилителя, связанным с источником сигнала 3, коллектор соединен с выходом 4 усилителя и цепью нагрузки 5, а база связана с цепью высокочастотной коррекции 6, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 7 дополнительный транзистор, вспомогательный усилитель тока 8 и токостабилизирующий двухполюсник 9, причем эмиттер первого дополнительного транзистора 7 соединен с эмиттером входного транзистора 1, базы первого 7 дополнительного транзистора и первого 1 входного транзистора объединены и подключены к выходу вспомогательного усилителя тока 8, коллектор первого дополнительного транзистора 7 соединен со входом вспомогательного усилителя тока 8 и токостабилизирующим двухполюсником 9 (фиг.2).

Предлагаемый высокочастотный усилитель (фиг.2) в соответствии с пп.1, 3 формулы изобретения содержит входной транзистор 1, эмиттер которого является низкоомным входом 2 усилителя, связанным с источником сигнала 3, коллектор соединен с выходом 4 усилителя и цепью нагрузки 5, а база связана с цепью высокочастотной коррекции 6. В схему введены первый 7 дополнительный транзистор, вспомогательный усилитель тока 8 и токостабилизирующий двухполюсник 9, причем эмиттер первого дополнительного транзистора 7 соединен с эмиттером входного транзистора 1, базы первого 7 дополнительного транзистора и первого 1 входного транзистора объединены и подключены к выходу вспомогательного усилителя тока 8, коллектор первого дополнительного транзистора 7 соединен со входом вспомогательного усилителя тока 8 и токостабилизирующим двухполюсником 9 (фиг.2).

В устройстве по п.2 формулы изобретения (фиг.2) вспомогательный усилитель тока 8 выполнен по схеме с общей базой на первом согласующем транзисторе 10, эмиттер которого является входом вспомогательного усилителя тока 8, коллектор - выходом вспомогательного усилителя тока 8, а база соединена с источником напряжения смещения 11.

В устройстве, соответствующем п.3 формулы изобретения, цепь высокочастотной коррекции 5 содержит блокирующий конденсатор 12 (фиг.2).

В усилителе фиг.3, соответствующем п.5 формулы изобретения, цепь высокочастотной коррекции 5 содержит параллельный колебательный контур.

В усилителе фиг.4, соответствующем п.6 и п.7 формулы изобретения, между входом 2 высокочастотного усилителя и общей шиной источника питания включен p-n переход 13.

В усилителе фиг.4, соответствующем в частном случае пункту 7 формулы изобретения, площадь p-n перехода первого 1 входного транзистора значительно больше, чем площадь p-n перехода первого дополнительного транзистора 6.

На фиг.5 показана схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты.

На фиг.7 представлена схема заявляемого устройства (фиг.3) в среде PSpice, а на фиг.8 и фиг.9 его амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению в разных масштабах.

Рассмотрим работу схемы (фиг.2). В статическом режиме для токов и напряжений (фиг.2) справедливы следующие соотношения

,

,

,

где β₇ - коэффициент усиления по току базы транзистора 7;

U_эб.1, U_эб.7 - напряжение эмиттер - база транзисторов 1 и 7.

Таким образом, статический коллекторный ток транзистора 1, определяющий усилительные параметры каскада с общей базой (элементы 1, 5) устанавливается двухполюсником 9 и не зависит от постоянной составляющей Е_c источника сигнала. В частном случае может быть E_c=0 или Е_c.min=-0,7 В. Максимальное положительное значение Е_с.mах определяется по формуле:

,

где Е₁₁ - напряжение на базе транзистора 11.

Таким образом, изменение Е_c, температуры, а также внутреннего сопротивления источника сигнала Rc в достаточно широких пределах не изменяет статический ток транзистора 1. Поэтому коэффициент усиления по напряжению заявляемого устройства в среднем диапазоне частот, когда сопротивление емкости 12 достаточно мало

,

где R_н.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки;

φ_т≈26 мВ - температурный потенциал.

Замена элементов 1 и 7 на полевые транзисторы также не изменяет статический режим КДУ. Если в качестве цепи 6 используется параллельный колебательный контур (фиг.3), то заявляемый ШУ становится режекторным фактором. Это объясняется тем, что только на частоте резонанса эквивалентное сопротивление контура становится достаточно большим. Вдали от резонанса в цепи базы транзистора 1 присутствует малое эквивалентное сопротивление. Поэтому вдали от резонанса К_у получается максимальным.

Компьютерное моделирование частных вариантов заявляемого устройства (фиг.5 - фиг.9), выполненное в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», подтверждает эффективность рассмотренных схемотехнических решений - при изменении постоянной составляющей напряжения источника сигнала в пределах Е_с=-1÷+7 В характеристики ВЧУ при напряжении питания 10В практически не изменяются. При этом уменьшается уровень нелинейных искажений сигнала за счет p-n перехода 13.

Кроме этого на базе предлагаемой схемы при введении в структуру ее подсхемы 6 колебательных контуров реализуются высококачественные избирательные устройства с высокой добротностью (фиг.7 - фиг.9).

Следует заметить, что в рассмотренных выше схемах ВЧУ сопротивление нагрузки 5 не влияет на параметры добротности, что невозможно в традиционных вариантах избирательных ВЧУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Остапенко Г.С. Усилительные устройства: учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.4.30, С.187.

2. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.208, Рис.8.26.

3. Патент США 6825723.

4. Патент США 3693108, фиг.7.

5. Патентная заявка США 2002/0239430.

6. Патент Англии 1485092, кл. Н3Т.

7. Патент США 4047118, H03F 3/04.

8. Патент Англии 2013444, кл. Н3Т.

9. Патент ФРГ 2503384.

10. Патент Франции 2514217.

11. Патент США 4990864, H03F 3/04.

12. Патент США 5914639.

13. Пат. заявка США 2005/0218944.

14. Пат. заявка США 2007/0216484, H03F 3/45.

15. Пат. заявка США 2005/0140443.

16. Патент США 5973262.

17. Патент Японии JP 2001/308658.

18. Патент США 4065724.

19. Патент США 4393355.

20. Патент США 4232271.

21. Патент США 4887047, H03F 3/45.

22. Патент США 5767662.

23. Патент США 7098743.

24. Патент США 4342967.

25. Патент США 5914640.

26. Патент США 5914639.

27. Патент США 4525678.

28. Патент США 6427067.

29. Патент США 6486739.

30. Патент США 6424225.

31. Патент США 6417735.

32. Патент США 6414553.

33. Патент США 6392492.

34. Патент США 6333677.

35. Патент США 6114912.

36. Патент США 6359516.

37. Патент США 6456163.

38. Патент США 5986509.

39. Патент США 6191656.

40. Патент США 6549075.

41. Патент Японии JP 2004/172681.

42. Патент WO 2004/054094.

43. Патент США 6476668.

44. Патент США 5986509.

45. Патент США 6417735.

46. Патент США 6747516.

47. Пат. заявка США US 2006/0032577.

48. Пат. заявка США 2006/0132242.

49. Патент Японии JP 2004/159195.

50. Патент США 6441689.

51. Патент США 6005441.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (в высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, фильтрах и т.д.). Технический результат заключается в повышении стабильности статического режима. Высокочастотный усилитель на транзисторе по схеме с общей базой содержит входной транзистор (1), эмиттер которого является низкоомным входом (2) усилителя, связанным с источником сигнала (3), коллектор - соединен с выходом (4) усилителя и цепью нагрузки (5), а база - связана с цепью высокочастотной коррекции (6). В схему введены первый (7) дополнительный транзистор, вспомогательный усилитель тока (8) и токостабилизирующий двухполюсник (9), причем эмиттер первого дополнительного транзистора (7) соединен с эмиттером входного транзистора (1), базы первого (7) дополнительного транзистора и первого (1) входного транзистора объединены и подключены к выходу вспомогательного усилителя тока (8), коллектор первого дополнительного транзистора (7) соединен со входом вспомогательного усилителя тока (8) и токостабилизирующим двухполюсником (9). 5 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Высокочастотный усилитель на транзисторе по схеме с общей базой, содержащий входной транзистор (1), эмиттер которого является низкоомным входом (2) усилителя, связанным с источником сигнала (3), коллектор соединен с выходом (4) усилителя и цепью нагрузки (5), а база связана с цепью высокочастотной коррекции (6), отличающийся тем, что в схему введены первый (7) дополнительный транзистор, вспомогательный усилитель тока (8) и токостабилизирующий двухполюсник (9), причем эмиттер первого дополнительного транзистора (7) соединен с эмиттером входного транзистора (1), базы первого (7) дополнительного транзистора и первого (1) входного транзистора объединены и подключены к выходу вспомогательного усилителя тока (8), коллектор первого дополнительного транзистора (7) соединен со входом вспомогательного усилителя тока (8) и токостабилизирующим двухполюсником (9).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вспомогательный усилитель тока (8) выполнен по схеме с общей базой на первом согласующем транзисторе (10), эмиттер которого является входом вспомогательного усилителя тока (8), коллектор - выходом вспомогательного усилителя тока (8), а база соединена с источником напряжения смещения (11).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь высокочастотной коррекции содержит блокирующий конденсатор (12).

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь высокочастотной коррекции (5) содержит параллельный колебательный контур.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между входом (2) высокочастотного усилителя и общей шиной источника питания включен p-n переход (13).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площадь p-n перехода первого (1) входного транзистора значительно больше, чем площадь p-n перехода первого дополнительного транзистора (6).