КАСКОДНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03F1/22 H03F3/42 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят широкое применение широкополосные каскодные усилители (ШУ) с каналами собственной компенсации емкости коллектор-база (С_кб) выходного транзистора, реализованными на основе неинвертирующих повторителей тока [1-5]. Данная архитектура используется в различных активных нагрузках, источниках опорного тока и т.п. и позволяет в несколько раз улучшить верхнюю граничную частоту (f_в) ШУ для случаев, когда емкость С_Кб оказывает доминирующее влияние на f_в.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству относится каскодный широкополосный усилитель, опубликованный в статье «Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах» / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Ковбасюк Н.В., Крутчинский С.Г., Савченко Е.М. // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, с.223-228.

Существенный недостаток известного устройства, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-5], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 B), его коэффициент усиления по напряжению (K_у) получается небольшим (К_ymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения K_у применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы U_ДН=0,8÷1,6 В статического напряжения между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения U_ДН≈0,8 B для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:

,

где U_Эрли - напряжение Эрли выходного p-n-р транзистора ДН;

I_э=I₀ - статический ток эмиттера p-n-р выходного транзистора ДН.

Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» U_Эрли=20÷30 B. Следовательно, при I₀=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить K_у>200÷300. Более высокие выходные сопротивления R_ДН реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U_эб≥1,6 B. При низковольтном питании это неприемлемо.

Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ШУ не эффективны.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ШУ при низковольтном питании.

Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной преобразователь напряжение - ток 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, основной неинвертирующий повторитель тока 3 с низкоомным токовым входом 4 и потенциальным входом 5, определяющим статический потенциал низкоомного токового входа 4, причем токовый выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3 связан с эмиттером выходного транзистора 2, цепь смещения потенциалов 7, связанную с потенциальным входом 5 основного неинвертирующего повторителя тока 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 2 и выходом устройства, шину источника питания 9, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен с низкоомным токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 и через дополнительный резистор 10 соединен с шиной источника питания 9, причем база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов.

На чертеже фиг.1 показана схема ШУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.

На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2, а на чертеже фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.5 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.6 и фиг.7 показаны схемы рекомендуемых неинвертирующих повторителей тока в соответствии с п.5 формулы изобретения.

На чертеже фиг.8 представлена схема аналога ШУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW, а на чертеже фиг.9 - заявляемого ШУ фиг.2 в структуре операционного усилителя.

На чертеже фиг.10 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.8 и фиг.9.

На чертеже фиг.11 представлена схема ШУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.12 - ее амплитудно-частотная характеристика.

Каскодный широкополосный усилитель фиг.2 содержит входной преобразователь напряжение - ток 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, основной неинвертирующий повторитель тока 3 с низкоомным токовым входом 4 и потенциальным входом 5, определяющим статический потенциал низкоомного токового входа 4, причем токовый выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3 связан с эмиттером выходного транзистора 2, цепь смещения потенциалов 7, связанную с потенциальным входом 5 основного неинвертирующего повторителя тока 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 2 и выходом устройства, шину источника питания 9. Второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен с низкоомным токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 и через дополнительный резистор 10 соединен с шиной источника питания 9, причем база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход 13 первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен со второй 14 цепью согласования потенциалов, а токовый выход 15 первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с эмиттером выходного транзистора 2.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход 17 второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с третьей 18 цепью согласования потенциалов, а токовый выход второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3.

На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, основной неинвертирующий повторитель тока 3 содержит последовательное соединенные первый 19 и второй 20 вспомогательные неинвертирующие повторители тока, причем токовый вход первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым входом основного 3 неинвертирующего повторителя тока, потенциальный вход 21 первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с четвертой 22 цепью согласования потенциалов, токовый вход второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым выходом первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока и базой выходного транзистора 2 и является первой 11 цепью согласования потенциалов, потенциальный вход 23 второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с пятой 24 цепью согласования потенциалов, токовый выход второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым выходом 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3.

На чертеже фиг.6 и фиг.7, в соответствии с п.5 формулы изобретения, приведены примеры построения неинвертирующих повторителей тока. В качестве основного неинвертирующего повторителя тока 3, первого 12 и второго 16 дополнительных неинвертирующих повторителей тока, первого 19 и второго 20 вспомогательных неинвертирующих повторителей тока могут использоваться классические усилительные каскады с включением транзистора по схеме с общей базой.

Статический режим ШУ фиг.2 устанавливается цепями смещения потенциалов Е_с7 и Е_с11, в качестве которых могут применяться как резистивные делители напряжения питания, так и более совершенные схемы источников напряжения с малыми выходными сопротивлениями. При этом ограничения на численные значения выходных потенциалов цепей смещения показаны на чертежах фиг.3 - фиг.7.

Рассмотрим работу ШУ фиг.2 на переменном токе.

Положительное изменение входного напряжения u_вх приводит к увеличению напряжения на выходе (u_вых), которое создает ток i_R8 через двухполюсник нагрузки 8:

Это объясняется тем, что низкоомный токовый вход 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 (его R_вx.4≈0) имеет по переменному току нулевой потенциал, поэтому все приращение i_R8 передается на вход 4 и, далее, на выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3, а далее в эмиттер и коллектор выходного транзистора 2:

где α₂≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2;

K_i3≈1 - коэффициент усиления по току основного неинвертирующего повторителя тока 3.

В результате эквивалентное сопротивление в коллекторной цепи транзистора 2, определяющее коэффициент усиления ШУ, возрастает:

Поэтому коэффициент усиления ШУ фиг.2 при α₂=0,99, K_i3=l увеличивается на один-два порядка. Данный вывод подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.10 схемы фиг.9.

Следует заметить, что в схеме фиг.2 не компенсируется емкость С_кб.2 транзистора 2. Для решения и этой задачи следует использовать схемотехнические решения фиг.3, фиг.4 или фиг.5.

В качестве неинвертирующих повторителей тока авторы рекомендуют применять транзисторные каскады с общей базой (фиг.6, фиг.7).

Таким образом, в предлагаемом ШУ при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ-устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А.св. СССР №670927.

2. Патент США №6856188.

3. Method of rising the upper level frequency limit of wide-band amplifier [Text] / N.N.Prokopenko, E.I.Starchenko // 1^st IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. - St.Petersburg, Russia, June, 2002. - P.24-27.

4. Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости С_кб выходного транзистора широкополосных каскодных усилителей [Текст] / Н.Н.Прокопенко, Н.В.Ковбасюк, И.Е.Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Материалы Международного научно-практического семинара / ЮРГУЭС - Шахты: ЮРГУЭС, 2002. - Часть 1. - С.42-54.

5. Математический анализ АХЧ усилителя с последовательной компенсацией емкости С_кб выходного транзистора [Текст] / Н.Н.Прокопенко, И.Е.Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Материалы Международного научно-практического семинара / ЮРГУЭС - Шахты: ЮРГУЭС, 2002. - Часть 1. - С.79-85.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению ШУ при низковольтном питании. Каскодный широкополосный усилитель содержит входной преобразователь напряжение - ток (1), токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора (2), основной неинвертирующий повторитель тока (3) с низкоомным токовым входом (4) и потенциальным входом (5), определяющим статический потенциал низкоомного токового входа (4), причем токовый выход (6) основного неинвертирующего повторителя тока (3) связан с эмиттером выходного транзистора (2), цепь смещения потенциалов (7), связанную с потенциальным входом (5) основного неинвертирующего повторителя тока (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (8), первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора (2) и выходом устройства, шину источника питания (9). Второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки (8) соединен с низкоомным токовым входом (4) основного неинвертирующего повторителя тока (3) и через дополнительный резистор (10) соединен с шиной источника питания (9), причем база выходного транзистора (2) соединена с первой (11) цепью согласования потенциалов. 4 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Каскодный широкополосный усилитель, содержащий входной преобразователь напряжение ток (1), токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора (2), основной неинвертирующий повторитель тока (3) с низкоомным токовым входом (4) и потенциальным входом (5), определяющим статический потенциал низкоомного токового входа (4), причем токовый выход (6) основного неинвертирующего повторителя тока (3) связан с эмиттером выходного транзистора (2), цепь смещения потенциалов (7), связанную с потенциальным входом (5) основного неинвертирующего повторителя тока (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (8), первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора (2) и выходом устройства, шину источника питания (9), отличающийся тем, что второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки (8) соединен с низкоомным токовым входом (4) основного неинвертирующего повторителя тока (3) и через дополнительный резистор (10) соединен с шиной источника питания (9), причем база выходного транзистора (2) соединена с первой (11) цепью согласования потенциалов.

2. Каскодный широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что база выходного транзистора (2) соединена с первой (11) цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход первого (12) дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход (13) первого (12) дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен со второй (14) цепью согласования потенциалов, а токовый выход (15) первого (12) дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с эмиттером выходного транзистора (2).

3. Каскодный широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что база выходного транзистора (2) соединена с первой (11) цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход второго (16) дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход (17) второго (16) дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с третьей (18) цепью согласования потенциалов, а токовый выход второго (16) дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым входом (4) основного неинвертирующего повторителя тока (3).

4. Каскодный широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что основной неинвертирующий повторитель тока (3) содержит последовательно соединенные первый (19) и второй (20) вспомогательные неинвертирующие повторители тока, причем токовый вход первого (19) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым входом основного (3) неинвертирующего повторителя тока, потенциальный вход (21) первого (19) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с четвертой (22) цепью согласования потенциалов, токовый вход второго (20) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым выходом первого (19) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока и базой выходного транзистора (2) и является первой (11) цепью согласования потенциалов, потенциальный вход (23) второго (20) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с пятой (24) цепью согласования потенциалов, токовый выход второго (20) вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым выходом (6) основного неинвертирующего повторителя тока (3).

5. Каскодный широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного неинвертирующего повторителя тока (3), первого (12) и второго (16) дополнительных неинвертирующих повторителей тока, первого (19) и второго (20) вспомогательных неинвертирующих повторителей тока используются классические усилительные каскады с включением транзистора по схеме с общей базой.