ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03F3/45 

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 в широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические широкополосные усилители (ШУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходного транзистора токовых зеркал [1÷11]. На основе таких ШУ реализуется широкополосный спектр радиоэлектронных изделий, в том числе преобразователи двух противофазных сигналов в однофазный сигнал.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ШУ фиг.1 по патенту фирмы Philips US № 3.697.882.

Существенный недостаток известного ШУ, архитектура которого присутствует также во многих других широкополосных усилителях [1÷11], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К_у) получается небольшим (K_ymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными.

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

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, коллектор которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания, а также связан с базой выходного транзистора 4 и первым токовым входом 5 устройства, второй 6 входной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго 6 входного транзистора, а также с базой первого 1 входного транзистора, эмиттером выходного 4 транзистора и вторым 7 токовым входом устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора и подключен ко второй 8 шине источников питания, резистор коллекторной нагрузки 9, первый вывод которого связан с коллектором выходного транзистора 4 и выходом устройства, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод резистора коллекторной нагрузки 9 соединен с первой 3 шиной источника питания через дополнительный резистор 10 и через неинвертирующий повторитель тока 11 соединен со вторым 7 токовым входом устройства.

Схема усилителя-прототипа в ее основных модификациях, представленных в патенте US № 3.697.882, показана на фиг.1-3. На фиг.4 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.5 показана схема ШУ в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения, а на фиг.6 - ШУ фиг.5 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.

На фиг.7 представлены амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.6 при разных значениях емкости конденсатора C_c. Из данных графиков следует, что ШУ по п.1 формулы изобретения имеет коэффициент усиления К_у на 19 дБ больше (т.е. почти в 10 раз), чем ШУ-прототип.

На фиг.8 приведены графики зависимости коэффициента шума схемы фиг.6 от частоты.

Широкополосный усилитель фиг.4 содержит первый 1 входной транзистор, коллектор которого через первый 2 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания, а также связан с базой выходного транзистора 4 и первым токовым входом 5 устройства, второй 6 входной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго 6 входного транзистора, а также с базой первого 1 входного транзистора, эмиттером выходного 4 транзистора и вторым 7 токовым входом устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора и подключен ко второй 8 шине источников питания, резистор коллекторной нагрузки 9, первый вывод которого связан с коллектором выходного транзистора 4 и выходом устройства. Второй вывод резистора коллекторной нагрузки 9 соединен с первой 3 шиной источника питания через дополнительный резистор 10, а через неинвертирующий повторитель тока 11 соединен со вторым 7 токовым входом устройства.

На фиг.5, в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения, неинвертирующий повторитель тока 11 выполнен на основе корректирующего конденсатора 12.

В соответствии с п.3 формулы изобретения неинвертирующий повторитель тока 11 ШУ фиг.4 может содержать двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением, включенный между входом и выходом неинвертирующего повторителя тока 11. В частном случае его роль может выполнять стабилитрон.

Рассмотрим работу ШУ фиг.5.

Предельный коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.5 определяется сопротивлением R₉ двухполюсника коллекторной нагрузки 9:

где - крутизна усиления ШУ в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая от сопротивления эмиттерного перехода входных транзисторов 13 и 14.

Более высокие значения К_у в диапазоне разных частот реализуются в схеме фиг.5 при введении элементов 10 и 12.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ШУ фиг.5 определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла «А»;

- комплексная крутизна транзисторов 13 и 14 в режиме короткого замыкания выхода ШУ.

Если емкость конденсатора 12 равна нулю, то для ШУ фиг.5 при условии, что R9>>R10>>r_э4:

где R₉ - сопротивление двухполюсника коллекторной нагрузки 9.

То есть (3) - это формула для К_у.п. усилителя-прототипа.

Комплекс эквивалентной нагрузки в узле «А» ШУ фиг.5 можно найти по формуле:

где

- комплекс импеданса корректирующего конденсатора 12;

- токи через двухполюсник коллекторной нагрузки 9 и через корректирующий конденсатор 12;

- комплекс коллекторного тока транзистора 4;

- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 4.

После преобразований последней формулы находим

Поэтому коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.5

Выигрыш по К_у, который дает схема ШУ фиг.5 в сравнении с прототипом фиг.1 - фиг.3, можно оценить с помощью, в общем случае, комплексного масштабного коэффициента

Если ω=0, то т.е. на постоянном токе выигрыш по К_у отсутствует. При , , в области средних частот, когда можно пренебрегать влиянием емкости конденсатора 12, реализуется значительный выигрыш по коэффициенту усиления:

В схеме ШУ фиг.5 статический режим транзисторов 13, 14, 1 и 17 устанавливается двухполюсниками 15, 2 и 18.

Полученные теоретические выводы подтверждают графики фиг.7 и 8.

Анализ графика фиг.8 показывает, что при введении емкости коррекции 12, различных номиналов, коэффициент шума схемы ШУ остается на уровне прототипа, когда С₁₂=0.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями основных качественных показателей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент SE № 362177, fig.1.

2. Патент NL № 6915477.

3. Патент FR № 2065259.

4. Патент US № 3.697.882.

5. Патент JP № 49005655.

6. Патент США № 4.250.460.

7. Патент США № 3.569.848, fig.7.

8. Патент RU № 2193273, фиг.2.

9. Патент США № 4.366.442, fig.

10. Патент США № 4.072.907.

11. Патент США № 3.843.935.

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 и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов). Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (К_у). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями. Широкополосный усилитель содержит первый (1) входной транзистор (Т), коллектор которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (3) шиной источника питания (ИП), а также связан с базой выходного Т (4) и первым токовым входом (5) устройства, второй (6) входной Т, коллектор которого соединен с базой второго (6) входного Т, а также с базой первого (1) входного Т, эмиттером выходного (4) Т и вторым (7) токовым входом устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого (1) входного Т и подключен ко второй (8) шине ИП, резистор коллекторной нагрузки (9), первый вывод которого связан с коллектором выходного Т (4) и выходом устройства. Второй вывод резистора коллекторной нагрузки (9) соединен с первой (3) шиной ИП через дополнительный резистор (10), а через неинвертирущий повторитель тока (11) соединен со вторым (7) токовым входом устройства. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Широкополосный усилитель, содержащий первый (1) входной транзистор, коллектор которого через первый (2) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (3) шиной источника питания, а также связан с базой выходного транзистора (4) и первым токовым входом (5) устройства, второй (6) входной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго (6) входного транзистора, а также с базой первого (1) входного транзистора, эмиттером выходного (4) транзистора и вторым (7) токовым входом устройства, а эмиттер соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора и подключен ко второй (8) шине источников питания, резистор коллекторной нагрузки (9), первый вывод которого связан с коллектором выходного транзистора (4) и выходом устройства, отличающийся тем, что второй вывод резистора коллекторной нагрузки (9) соединен с первой (3) шиной источника питания через дополнительный резистор (10) и через неинвертирующий повторитель тока (11) соединен со вторым (7) токовым входом устройства.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий повторитель тока (11) выполнен на основе корректирующего конденсатора (12).

3. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий повторитель тока (11) содержит двухполюсник с малым дифференциальным сопротивлением, включенный между входом и выходом неинвертирующего повторителя тока (11).