КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H03F3/45 H03G3/30 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Управляемый усилитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.

В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе систем электронной регулировки усиления, смешения или перемножения сигналов широкое применение находят схемы управляемых усилителей на основе дифференциальных каскадов с изменяющимся статическим режимом. Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных управляемых усилителей и аналоговых перемножителей сигналов. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла РЭА нового поколения относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.

Существует несколько базовых архитектур дифференциальных каскадов (ДК). Одна из них (фиг.1), которая относится к классической архитектуре, была впервые использована в операционном усилителе µА741. В связи с высокой популярностью такого ДК на его модификации выдано более 30 патентов разных стран, например [1-30].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный каскодный дифференциальный усилитель (ККДУ), впервые описанный в патенте США № 3.786.362 фирмы Bell Telephone Laboratories, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9.

Существенный недостаток известного ККДУ состоит в том, что он не имеет специального входа «У» для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению, «привязанному» 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-операционные усилители, у которых петлевое усиление изменяется по заданному алгоритму в зависимости от свойств источников сигнала и цепей обратных связей (см., например, патент РФ № 2307393 «Способ управления коэффициентом передачи решающего усилителя с глубокой отрицательной обратной связью»).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению ККДУ. При этом управляющее напряжение U_y должно 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.

Первая дополнительная цель - создание архитектуры ККДУ с малым напряжением питания и электронным управлением его коэффициента усиления по напряжению, а также обеспечение возможности практической реализации устройства по SiGe технологии SG25H2 (рабочее напряжение для n-p-n транзисторов U_p=1,9 В; для p-n-p транзисторов U_п=2,8 B).

Вторая дополнительная цель - реализация на базе известного ККДУ функции аналогового смесителя и/или перемножителя двух напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9, предусмотрены новые элементы и связи, в схему введен первый 10 управляющий транзистор, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока 11 и через первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема аналогового перемножителя сигналов на базе заявляемого ККДУ фиг.2.

На фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 - 6 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.4:

- зависимость коэффициентов усиления K_u от напряжения управления U_у в диапазоне частот (фиг.5);

- зависимость коэффициентов усиления K_u от напряжения управления (фиг.6).

На фиг.7 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.8 - 10 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.7:

- зависимость коэффициентов усиления К_u от напряжения управления U_y в диапазоне частот (фиг.8);

- зависимость коэффициентов усиления К_u от напряжения управления U_y при сопротивлениях резисторов R₃=R₄=100 Ом (фиг.9);

- зависимость коэффициентов усиления K_u от напряжения управления U_y при сопротивлениях резисторов R₃=R₄=500 Ом (фиг.10);

- зависимость выходного синфазного напряжения U_вых.c от сигнала управления U_y (фиг.11).

На фиг.12 показана схема перемножителя на базе заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.13 - 14 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.12:

- зависимость модуля коэффициента усиления K_u от напряжения управления U_y (фиг.13);

- зависимость выходного напряжения U_вых перемножителя от U_x и U_y (фиг.14);

- зависимость погрешности перемножения γ от напряжения управления U_у (фиг.15).

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9. В схему введен первый 10 управляющий транзистор, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока 11 и через первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 10 управляющего транзистора может быть подключен ко входу 3 токового зеркала 4.

В частном случае цепь нагрузки 9 (фиг.2) может быть выполнена на базе резисторов 14 и 15, а токовое зеркало 4 - по различным традиционным схемам.

Схема фиг.3 представляет собой соединение двух идентичных схем фиг.2. Поэтому нумерация элементов правой части схемы помечена знаком (*).

Рассмотрим работу заявляемого устройства в режиме управляемого усилителя напряжения u_x (фиг.2) для случая п.1 формулы изобретения, когда коллектор транзистора 10 не связан со входом 3 токового зеркала (4).

В статическом режиме при нулевом напряжении управления (u_у=0) токи через резисторы 12 и 13 близки к нулю.

Коэффициент усиления по напряжению K_u для дифференциального выхода определяется формулой

где R_н - эквивалентное сопротивление нагрузки, зависящее от резисторов 14 и 15;

S_Σ - крутизна преобразования напряжения их в коллекторные токи транзисторов 5 и 6.

Причем

где φ_т≈26 мВ - температурный потенциал;

I₀ - статический ток эмиттерных переходов транзисторов 1, 2, 5, 6;

r_эi=φ_т/I_эi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора схемы при статистическом токе эмиттера I_эi=I₀.

Таким образом,

при u_у=0 для схемы фиг.2

Если управляющее напряжение U_y на управляющем входе «Вх.у» получает положительное приращение, то это приводит к изменению тока

i_R через резисторы 12 и 13:

где R₁₂=R₁₃ - сопротивления резистора 12 и 13 (R₁₂>>r_э5=r_э6).

Приращения i_R полностью поступают в эмиттеры транзисторов 5 и 6, изменяя сопротивления их эмиттерных переходов

Данный эффект объясняется тем, что благодаря отрицательной обратной связи через токовое зеркало 4 синфазные коллекторные токи транзисторов 1 и 2 схемы фиг.2 (пунктир) не изменяются:

Следовательно, при изменении u_у статистический режим транзисторов 1 и 2 не изменяется, что является особенностью и достоинством схемы по п.1 формулы изобретения. Таким образом, управление К_u по п.1 формулы изобретения обусловлено влиянием

u_у на статистический режим только транзисторов 5 и 6:

Рассмотрим далее работу схемы фиг.2 для случая, когда коллектор транзистора 10 связан со входом 3 токового зеркала 4 (п.2 формулы изобретения).

В этом режиме токи i_R, обусловленные изменением U_y, передаются в противофазе к узлу 3 по двум каналам - через транзисторы 1-2 и транзистор 10. Как следствие, это вызывает уменьшение только тока эмиттеров транзисторов 1 и 2 на величину i_R, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению из-за уменьшения первой составляющей крутизны S_Σ (2), обусловленной сопротивлениями r_э1=r_э2:

При другой фазе напряжения u_y коэффициент K_u увеличивается пропорционально величине U_y.

На базе заявляемого ККДУ (с учетом свойств фиг.9, фиг.10) реализуются смесители и/или перемножители сигналов. При противофазном изменении напряжения управления u_y=v₂, на входах ККДУ фиг.12 противофазно изменяются (в соответствии с фиг.9, фиг.10) коэффициенты усиления ККДУ. Это является одним из условий перемножения двух напряжений u_x, u_у (фиг.14). Диапазон перемножения по каналу «X» может быть расширен традиционным способом - применением входных логарифмирующих диодов.

Замечательная особенность схем фиг.2, фиг.3 - подавление передачи сигнала управления u_у на выход ККДУ, что весьма важно для построения смесителя и/или перемножителя сигналов.

Таким образом, заявляемый комплементарный дифференциальный усилитель имеет электронное управление коэффициентом усиления. Причем сигнал управления u_у, как и входной сигнал u_x подаются на соответствующие входы относительно общей шины (без разделительных конденсаторов).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США № 3.786.362

2. Патент США № 4.030.044

3. Патент США № 4.059.808, фиг.5

4. Патент США № 4.286.227

5. Авт. свид. СССР № 375754, H03f 3/38

6. Авт. свид. СССР № 843164, H03f 3/30

7. Патент США № 3.660.773

8. Патент США № 4.560.948

9. Патент РФ № 2930041, H03f 1/32

10. Патент Японии № 57-5364, H03f 3/343

11. Патент ЧССР № 134845, кл. 21а² 18/08

12. Патент ЧССР № 134849, кл. 21а² 18/08

13. Патент ЧССР № 135326, кл. 21 а² 18/08

14. Патент США № 4.389.579

15. Патент Англии № 1543361, Н3Т

16. Патент США № 5.521.552 (фиг.3а)

17. Патент США № 4.059.808

18. Патент США № 5.789.949

19. Патент США № 4.453.134

20. Патент США № 4.760.286

21. Авт. свид. СССР № 1283946

22. Патент РФ № 2019019

23. Патент США № 4.389.579

24. Патент США № 4.453.092

25. Патент США № 3.566.289

26. Патент США № 4.059.808 (фиг.2)

27. Патент США № 3.649.926

28. Патент США № 4.714.894 (фиг.1)

29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.

30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Управляемый усилитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники. Технический результат - увеличение подавления сигнала управления на выходе усилителя. Комплементарный каскодный дифференциальный усилитель с управляемым усилением содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), коллекторы которых подключены ко входу (3) токового зеркала (4), первый (5) и второй (6) выходные Т, базы которых объединены и подключены к выходу (7) токового зеркала (4) и токостабилизирующему двухполюснику (8), эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого (1) и второго (2) входных Т, а коллекторы связаны с цепью нагрузки (9). В схему введен первый (10) управляющий Т, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока (11) и через первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных Т. 1 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Комплементарный каскодный дифференциальный усилитель с управляемым усилением, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу (3) токового зеркала (4), первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу (7) токового зеркала (4) и токостабилизирующему двухполюснику (8), эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки (9), отличающийся тем, что в схему введен первый (10) управляющий транзистор, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока (11) и через первый (12) и второй (13) дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллектор первого (10) управляющего транзистора подключен ко входу (3) токового зеркала (4).