УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H03F3/45 H03G1/04 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве широкополосного усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления (u_y). Такие устройства применяются в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, системах автоматической регулировки усиления, аналоговых перемножителях сигналов и т.д.

В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе входных каскадов операционных усилителей, перемножителей двух напряжений, высоколинейных преобразователей "напряжение-ток" широкое применение находит усилитель переменного тока на базе дифференциального каскада, содержащего входные транзисторы, между эмиттерами которых включен маштабирующий резистор (фиг.1). Такая структура стала основой для построения практически всех известных в настощее время аналоговых перемножителей сигналов на основе дифференциальных каскадов и инструментальных усилителей как отечественных, так и зарубежных производителей аналоговых микросхем [1-15].

В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинает использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии, способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако SiGe-технология накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы (U_кэ.max=1÷2,9 В). Создание схемотехники IP блоков для SiGe технологии является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем.

Последние несколько лет источники питания с напряжением 5 В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания в цифровых устройствах до уровня 1,5 В. Эта тенденция реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f₁) в компромиссе с напряжением пробоя (U_пp). Для кремниевых SiGe транзисторов существует следующее фундаментальное ограничение: f₁×U_пр≈const.

Таким образом, малые размеры транзисторов, обеспечивающие высокие значения f₁ (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания СВЧ микросхем до 1,2÷1,5 В.

В этой связи для многих ВЧ и СВЧ применений оказываются перспективными схемы усилителей переменного тока с резистором местной обратной связи (фиг.1, [1÷15]), в которых предельное минимальное напряжение питания может достигать величины ± (1÷1,5) В. Заявляемый УПТ относится к этому классу устройств.

Ближайшим прототипом является усилитель переменного тока (УПТ), описанный в патенте США №4511852, fig.3, содержащий первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым 2 выходом цепи установления статистического режима 3, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 5 выходом цепи установления статистического режима 3, двухполюсник нагрузки 6, связанный с коллектором второго 4 входного транзистора и выходом 7 управляемого усилителя, первый 8 вход управляемого усилителя, связанный с базой первого 1 входного транзистора и источником сигнала 9, второй 10 вход управляемого усилителя, связанный с базой второго 4 входного транзистора.

Существенный недостаток известного усилителя состоит в том, что он не имеет специального входа «У» для электронного управления коэффициентом усиления на переменном токе, «привязанного» к общей шине источников питания. Это существенно сужает область его использования, не позволяет реализовывать на его основе адаптивные функциональные узлы систем на кристалле, например СВЧ усилители систем связи.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению УПТ. При этом управляющее напряжение U_y так же, как и сигнал U_вх, должны подаваться относительно общей шины источников питания. Реализация этой цели позволяет выполнять на базе заявляемого устройства не только широкополосные ВЧ и СВЧ усилители с регулируемыми параметрами, но создавать на его основе более сложные функциональные узлы, например аналоговые перемножители сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в усилителе переменного тока (фиг.1), содержащем первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым 2 выходом цепи установления статистического режима 3, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 5 выходом цепи установления статистического режима 3, двухполюсник нагрузки 6, связанный с коллектором второго 4 входного транзистора и выходом 7 управляемого усилителя, первый 8 вход управляемого усилителя, связанный с базой первого 1 входного транзистора и источником сигнала 9, второй 10 вход управляемого усилителя, связанный с базой второго 4 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - между первым выходом 2 цепи установления статистического режима 3 и шиной источника питания включен дополнительный конденсатор 14, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с выходом 7 управляемого усилителя, а второй 10 вход управляемого усилителя связан с источником управляющего напряжения 15.

На фиг.1 показана схема УПТ-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого ДУ в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На фиг.3, а также фиг.2 представлены частные варианты построения цепи установления статического режима 3.

На фиг.4 приведена схема УНТ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Результаты ее моделирования показаны на фиг.5-6:

- зависимость коэффициента усиления по напряжению К_u от частоты при разных значениях напряжения управления U_y (фиг.5);

- зависимость коэффициента усиления по напряжению К_u от напряжения управления U_y.

Усилитель переменного тока фиг.2 содержит первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым 2 выходом цепи установления статистического режима 3, второй 4 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 5 выходом цепи установления статистического режима 3, двухполюсник нагрузки 6, связанный с коллектором второго 4 входного транзистора и выходом 7 управляемого усилителя, первый 8 вход управляемого усилителя, связанный с базой первого 1 входного транзистора и источником сигнала 9, второй 10 вход управляемого усилителя, связанный с базой второго 4 входного транзистора. Между первым выходом 2 цепи установления статического режима 3 и шиной источника питания включен дополнительный конденсатор 14, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с выходом 7 управляемого усилителя, а второй 10 вход управляемого усилителя связан с источником управляющего напряжения 15.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, цепь установления статистического режима (3) содержит первый токостабилизирующий двухполюсник (11), соединенный с первым (2) выходом цепи установления статистического режима (3), второй (12) токостабилизирующий двухполюсник (12), соединенный со вторым (5) выходом цепи установления статистического режима (3) и первый дополнительный резистор (13), включенный между первым (11) и вторым (12) токостабилизирующим двухполюсником.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, цепь установления статистического режима (3) содержит второй токостабилизирующий двухполюсник (16), соединенный с первым (2) выходом цепи установления статистического режима (3) через второй дополнительный резистор (17) и вторым (5) выходом цепи установления статического режима (3) через третий дополнительный резистор (18).

Рассмотрим работу заявляемого УПТ фиг.2.

В статическом режиме, когда напряжение управления равно нулю (u_y=0), эмиттерные и коллекторные токи фиг.2 устанавливаются двухполюсниками 11 и 12 подсхемы 3. При этом

где I_к1, I_к4 - коллекторные токи транзисторов 1 и 4;

I₁₁, I₁₂ - токи двухполюсников 11 и 12, входящих в структуру цепи установления статического режима 3.

Емкость конденсатора 14 выбирается такой, чтобы во всем частотном диапазоне ω_х сигнала u_вх выполнялось неравенство

где ω_х - частота сигнала по каналу «X»;

r_э1 - сопротивление эмиттерного перехода транзистора 1;

φ_т≈26 мВ - температурный потенциал.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению

где R_н.экв - эквивалентное сопротивление нагрузки.

Если напряжение на управляемом входе 10 (u_y) увеличивается, то это приводит к появлению тока через резистор 13

Приращение передается, с одной стороны, на выход 7 через транзистор 4, а с другой в противофазе - через транзистор 1. Если во всем диапазоне частот ω_y сигнала

u_y выполняется неравенство

то все приращение практически без потерь поступает на выход 7 и компенсирует составляющую коллекторного тока . В результате на выходе 7 обеспечивается полное подавление сигнала управления U_y. Как следствие, уровень постоянной составляющей выходного напряжения не изменяется, что позволяет применять непосредственную связь между каскадами.

Изменение под действием

u_y>0 увеличивает сопротивление эмиттерного перехода транзистора 1, что в соответствии с (3) уменьшает К_u:

Представленные на фиг.5 и фиг.6 графики показывают, что К_u заявляемого УПТ при выбранных сопротивлениях резисторов нагрузки изменяются в диапазоне 0÷70. На базе заявляемого УПТ реализуются также схемы аналоговых перемножителей переменных напряжений.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. М.: Радио и связь, 1983 г. - С.366, рис.8.11.

2. Патент ЕР 0058448, H03F 3/45.

3. Авт.свид. СССР №853776, G03G 3/36.

4. Авт.свид. СССР №488317, H03H 7/44.

5. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. М.: Мир - С.147, рис.7-5.

6. Патент США №4146844, кл. 330-149.

7. Патент Японии 53-33232 98(5) А 333.

8. Патент Англии №1429793 H03F 1/34.

9. Патент Англии №1572079, Н3Т.

10. Патент США №4511852.

11. Патентная заявка США №2002/0053935.

12. Патент США №6456142, фиг.8.

13. Патент США №5184088, фиг.2.

14. Патент США №5821810.

15. Патент UK №2318470.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению усилителя переменного напряжения. Для этого устройство содержит первый входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым выходом цепи установления статистического режима, второй входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым выходом цепи установления статистического режима, двухполюсник нагрузки, связанный с коллектором второго входного транзистора и выходом управляемого усилителя, первый вход управляемого усилителя, связанный с базой первого входного транзистора и источником сигнала, второй вход управляемого усилителя, связанный с базой второго входного транзистора. Между первым выходом цепи установления статического режима и шиной источника питания включен дополнительный конденсатор, коллектор первого входного транзистора соединен с выходом управляемого усилителя, а второй вход управляемого усилителя связан с источником управляющего напряжения. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Усилитель переменного тока с управляемым коэффициентом передачи напряжения, содержащий первый входной транзистор (1), эмиттер которого соединен с первым (2) выходом цепи установления статистического режима (3), второй (4) входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (5) выходом цепи установления статистического режима (3), двухполюсник нагрузки (6), связанный с коллектором второго (4) входного транзистора и выходом (7) управляемого усилителя, первый (8) вход управляемого усилителя, связанный с базой первого (1) входного транзистора и источником сигнала (9), второй (10) вход управляемого усилителя, связанный с базой второго (4) входного транзистора, отличающийся тем, что между первым выходом (2) цепи установления статистического режима (3) и шиной источника питания включен дополнительный конденсатор (14), коллектор первого (1) входного транзистора соединен с выходом (7) управляемого усилителя, а второй (10) вход управляемого усилителя связан с источником управляющего напряжения (15).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь установления статистического режима (3) содержит первый токостабилизирующий двухполюсник (11), соединенный с первым (2) выходом цепи установления статистического режима (3), второй (12) токостабилизирующий двухполюсник (12) соединяется со вторым (5) выходом цепи установления статистического режима (3), и первый дополнительный резистор (13), включенный между первым (11) и вторым (12) токостабилизирующим двухполюсником.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цепь установления статистического режима (3) содержит второй токостабилизирующий двухполюсник (16), соединенный с первым (2) выходом цепи установления статистического режима (3) через второй дополнительный резистор (17) и вторым (5) выходом цепи установления статистического режима (3) через третий дополнительный резистор (18).