ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03F1/42 H03F1/22 H03F3/189 

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, широкополосных, избирательных, ВЧ- и СВЧ-усилителях).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические транзисторные каскады с общим эмиттером и резистивной [1-11] или индуктивной [12-19] нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является широкополосный усилитель (ШУ) по патентной заявке US 2007/0008038 fig.3.

Существенный недостаток известного ШУ, архитектура которого присутствует также во многих других усилительных каскадах [1-19], состоит в том, что при резистивных двухполюсниках коллекторной нагрузки и ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K_у) получается небольшим (K_уmах=10÷20). В первую очередь, это обусловлено ограничениями на сопротивления двухполюсников коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными. В то же время, использование индуктивной коллекторной нагрузки не всегда допускается.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению ШУ. Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскада усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной транзисторный каскад 1, основной вход 2 которого соединен с источником сигнала 3, общий вывод 4 подключен к первой 5 шине источников питания, а коллекторный выход 6 соединен с выходом 7 устройства и первым выводом двухполюсника коллекторной нагрузки 8, второй вывод которого связан со второй 9 шиной источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 10 дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с коллекторным выходом 6 входного транзисторного каскада, база соединена с выходом первой 11 цепи смещения потенциалов, эмиттер через первый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 13 цепью смещения потенциалов, второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 15 вспомогательный двухполюсник с малым динамическим сопротивлением соединен с эмиттером первого 10 дополнительного транзистора. В качестве данного двухполюсника могут применяться конденсаторы или источники опорного напряжения, например диоды Видлара.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ШУ в соответствии с п.4, а на фиг.4 и фиг.5 - п.5 формулы изобретения.

На фиг.6 приведена схема заявляемого ШУ в соответствии с п.6, а на фиг.7 - п.7 формулы изобретения.

На фиг.8 показана схема ШУ фиг.3 в соответствии с п.4 формулы изобретения с конкретным выполнением дополнительного дифференциального усилителя напряжения 16.

На фиг.9 показана схема ШУ фиг.6 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.10 показаны амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.9 при разных емкостях конденсатора С1=Cn.

Схема ШУ фиг.11 в среде Cadence соответствует чертежу фиг.8.

На фиг.12 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.9 (при С1=Cn=0, нижний график; C1=Cn=100 нф, средний график) и фиг.11 (при разных значениях Cn=C5).

Широкополосный усилитель фиг.2 содержит входной транзисторный каскад 1, основной вход 2 которого соединен с источником сигнала 3, общий вывод 4 подключен к первой 5 шине источников питания, а коллекторный выход 6 соединен с выходом 7 устройства и первым выводом двухполюсника коллекторной нагрузки 8, второй вывод которого связан со второй 9 шиной источников питания. В схему введен первый 10 дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с коллекторным выходом 6 входного транзисторного каскада, база соединена с выходом первой 11 цепи смещения потенциалов, эмиттер через первый 12 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 13 цепью смещения потенциалов, второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 связан со второй 9 шиной источника питания через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник и через первый 15 вспомогательный двухполюсник с малым динамическим сопротивлением соединен с эмиттером первого 10 дополнительного транзистора.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первого 15 вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением используется конденсатор.

Кроме этого, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве первого 15 вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением может использоваться источник опорного напряжения, например стабилитрон или диод Видлара.

На фиг.3, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве первой 11 цепи смещения потенциалов используется выход дополнительного 16 дифференциального усилителя напряжения, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером первого 10 дополнительного транзистора, а неинвертирующий вход подключен к первому 17 источнику опорного напряжения.

На фиг.4 и фиг.5, в соответствии с п.5 формулы изобретения, входной транзисторный каскад 1 выполнен на втором 18 дополнительном транзисторе с его включением по схеме с общим эмиттером, причем база второго 18 дополнительного транзистора связана с основным входом 2 входного транзисторного каскада 1 через первый 19 разделительный конденсатор и соединена с выходом цепи установления статического режима 20.

На фиг.6, в соответствии с п.6 формулы изобретения, входной транзисторный каскад 1 выполнен по каскодной схеме «общий эмиттер - общая база» на третьем 24 и четвертом 25 дополнительных транзисторах, причем в качестве первого 15 вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением используется конденсатор.

На фиг.7, в соответствии с п.7 формулы изобретения, входной транзисторный каскад 1 выполнен на пятом 27 дополнительном транзисторе с его включением по схеме с общей базой, причем эмиттер пятого 27 дополнительного транзистора связан с основным входом 2 входного транзисторного каскада 1 через второй 28 разделительный конденсатор и через первый 29 вспомогательный резистор соединен с общим выводом 4 входного транзисторного каскада 1, причем база пятого 27 дополнительного транзистора соединена со вторым 30 источником опорного напряжения.

В схеме фиг.8 дополнительный дифференциальный усилитель напряжения 16 содержит транзистор 31 и резистор 32.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Предельный коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.1 определяется сопротивлением R8 двухполюсника коллекторной нагрузки 8:

где S₁=(r_э)^-1 - крутизна усиления ШУ в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая от сопротивления эмиттерного перехода (r_э) транзистора, входящего во входной транзисторный каскад 1.

Покажем аналитически, что более высокие значения К_у в диапазоне средних частот, когда можно пренебречь всеми емкостями, реализуются в схеме фиг.2.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ШУ фиг.2 определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла «А»;

- комплексная крутизна входного транзисторного каскада 1 в режиме короткого замыкания выхода ШУ.

Для ШУ фиг.2, в котором отсутствует двухполюсник 15 (конденсатор 15), при условии, что R8>>R14:

Комплекс эквивалентной нагрузки (2) можно найти по формуле:

где

- комплекс импеданса конденсатора.15;

- комплекс тока через конденсатор 15 (двухполюсник 15);

- комплекс коэффициента усиления по току эмиттера транзистора 10.

После преобразований последней формулы находим, что

Поэтому коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.2

или при :

а модуль в диапазоне, средних частот:

Таким образом, выигрыш по K_у, который дает ШУ фиг.2

Если ω=0, то . B области высоких частот (когда ω→∞)

В схеме ШУ фиг.3 статический режим транзистора 10 устанавливается дополнительным дифференциальным усилителем 16. Его введение обеспечивает дальнейшее повышение коэффициента усиления ШУ:

причем в диапазоне средних частот

Действительно, как следует из формулы (11), на коэффициент усиления ШУ фиг.3 перестает влиять отношение r_э10/R₁₄. Это позволяет выбирать второй 14 токостабилизирующий двухполюсник R14 достаточно низкоомным без потери усиления. Данные выводы подтверждаются результатами моделирования ШУ фиг.11, представленными на фиг.12.

Схему фиг.4 авторы рекомендуют использовать при однополярном питании ШУ, а схему фиг.5 - при двуполярном источнике питающих напряжений.

В схеме ШУ фиг.5 роль первой 11 цепи смещения потенциалов выполняет общая шина 15 источников питания.

Схема фиг.6 - это каскодный ШУ, в котором входной транзисторный каскад 1 реализован по схеме «общий эмиттер - общая база» на транзисторах 24, 25.

В ШУ фиг.7 входной транзисторный каскад выполнен по схеме с общей базой. В частном случае потенциал базы транзистора 27 может устанавливаться от первой цепи смещения потенциалов.

Таким образом, предлагаемый набор схемотехнических решений обеспечивает существенный (20÷30 дБ) выигрыш по коэффициенту усиления в широкополосных усилителях.

Источники информации

1. Патентная заявка США №2006/0033578 fig.1

2. Патент GB №1431481 fig.1

3. Патент США №6.191.656 fig.2

4. Патентная заявка США №2004/0246051 fig.2

5. Патентная заявка Японии JP 2004/172681

6. Патент WO/03/079544 fig.4

7. Патент США №5.767.662

8. Патентная заявка США 2006/0077001

9. Патент США №5.986.509

10. Патент США №6.747.516 fig.8

11. Патент США №6.005.441 fig.5a

12. Патентная заявка US 2006/0033576

13. Патентная заявка WO/2004/086608 fig.1

14. Патент США №6.417.735

15. Патент США №6.414.553

16. Патентная заявка US 2005/0264365 fig.3

17. Патентная заявка US 2006/0038617

18. Патент США №5.117.203 fig.1

19. Патент США №5.352.990 fig.1

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, широкополосных, избирательных, ВЧ- и СВЧ-усилителях). Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению ШУ. Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями. Широкополосный усилитель содержит входной транзисторный каскад (1), основной вход (2) которого соединен с источником сигнала (3), общий вывод (4) подключен к первой (5) шине источников питания, а коллекторный выход (6) соединен с выходом (7) устройства и первым выводом двухполюсника коллекторной нагрузки (8), второй вывод которого связан со второй (9) шиной источников питания. В схему введен первый (10) дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с коллекторным выходом (6) входного транзисторного каскада, база соединена с выходом первой (11) цепи смещения потенциалов, эмиттер через первый (12) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (13) цепью смещения потенциалов, второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки (8) связан со второй (9) шиной источника питания через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник и через первый (15) вспомогательный двухполюсник с малым динамическим сопротивлением соединен с эмиттером первого (10) дополнительного транзистора. 6 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Широкополосный усилитель, содержащий входной транзисторный каскад (1), основной вход (2) которого соединен с источником сигнала (3), общий вывод (4) подключен к первой (5) шине источников питания, а коллекторный выход (6) соединен с выходом (7) устройства и первым выводом двухполюсника коллекторной нагрузки (8), второй вывод которого связан со второй (9) шиной источников питания, отличающийся тем, что в схему введен первый (10) дополнительный транзистор, коллектор которого соединен с коллекторным выходом (6) входного транзисторного каскада, база соединена с выходом первой (11) цепи смещения потенциалов, эмиттер через первый (12) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (13) цепью смещения потенциалов, второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки (8) связан со второй (9) шиной источника питания через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник и через первый (15) вспомогательный двухполюсник с малым динамическим сопротивлением соединен с эмиттером первого (10) дополнительного транзистора.

2. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (15) вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением используется конденсатор.

3. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (15) вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением используется источник опорного напряжения.

4. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первой (11) цепи смещения потенциалов используется выход дополнительного (16) дифференциального усилителя напряжения, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером первого (10) дополнительного транзистора, а неинвертирующий вход подключен к первому (17) источнику опорного напряжения.

5. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что входной транзисторный каскад (1) выполнен на втором (18) дополнительном транзисторе с его включением по схеме с общим эмиттером, причем база второго (18) дополнительного транзистора связана с основным входом (2) входного транзисторного каскада (1) через первый (19) разделительный конденсатор и соединена с выходом цепи установления статического режима (20).

6. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что входной транзисторный каскад (1) выполнен по каскодной схеме «общий эмиттер - общая база» на третьем (24) и четвертом (25) дополнительных транзисторах, причем в качестве первого (15) вспомогательного двухполюсника с малым динамическим сопротивлением используется конденсатор.

7. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что входной транзисторный каскад (1) выполнен на пятом (27) дополнительном транзисторе с его включением по схеме с общей базой, причем эмиттер пятого (27) дополнительного транзистора связан с основным входом (2) входного транзисторного каскада (1) через второй (28) разделительный конденсатор и через первый (29) вспомогательный резистор соединен с общим выводом (4) входного транзисторного каскада (1), причем база пятого (27) дополнительного транзистора соединена со вторым (30) источником опорного напряжения.