МАЛОШУМЯЩИЙ УСИЛИТЕЛЬ И ВСПОМОГАТЕЛЬНАЯ МОНОЛИТНАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА ДЛЯ ЭТОГО УСИЛИТЕЛЯ Российский патент 2011 года по МПК H03F1/26 H03F1/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к малошумящим усилителям (МШУ) и, в частности, к вспомогательным монолитным интегральным схемам (ИС), включаемым в состав МШУ для управления, в частности, смещением полевых транзисторов (ПТ), предусмотренных в МШУ для обработки принимаемых сигналов.

Уровень техники

МШУ относятся к хорошо известному типу электронных усилителей, используемых в системах связи для усиления слабых сигналов, принимаемых антенной. Усилитель обычно устанавливают на антенне, причем его конструкция обеспечивает добавление крайне малого количества шумов к принимаемому сигналу. МШУ усиливает принятый сигнал до уровня, требуемого последующим приемным оборудованием, с которым соединен МШУ. МШУ также называют антенными усилителями сигнала.

Одно из известных применений МШУ заключается в приеме и усилении сигналов спутников непосредственного телевещания (СНТВ), причем МШУ, приспособленные для такого применения, называют МШУ СНТВ. МШУ СНТВ обычно содержит несколько полевых транзисторов (которые могут быть арсенид-галлиевыми ПТ), предназначенных для обработки радиочастотных (РЧ) сигналов. Например, МШУ СНТВ может быть приспособлен для приема сигналов, которые имеют две разные поляризации, причем для выбора поляризации входного сигнала для усиления и передачи присоединенному далее оборудованию могут использовать два ПТ. Кроме того, ПТ могут быть собраны в схему активного смесителя, в которую вводят входной радиочастотный сигнал, причем сигнал от гетеродина МШУ управляет затвором или стоком ПТ. В таком случае схема активного смесителя может выводить (т.е. извлекать) сигнал промежуточной частоты.

МШУ СНТВ обычно необходимы для детектирования радиочастотных сигналов крайне низкого уровня в широком частотном диапазоне и обеспечения межканальной изоляции высокого уровня. Они также должны обеспечивать возможность усиления принимаемых сигналов с добавлением пренебрежимо малого шума и возможность управления выбором различных поляризаций входного сигнала (как описано выше). Известны решения, в которых МШУ управляется для переключения диапазонов, что обеспечивает возможность приема и обработки сигналов в расширенном частотном диапазоне. Известные МШУ могут быть использованы для понижающего преобразования, т.е. способны принимать входной сигнал на определенной частоте и выводить соответствующий выходной сигнал более низкой частоты. Другая особенность известных МШУ СНТВ заключается в кабельном питании, т.е. конфигурации, в которой питание и сигналы управления МШУ подают по тому же радиочастотному кабелю, по которому радиочастотные выходные сигналы МШУ поступают в подключенное к нему оборудование (например, декодер каналов спутникового телевидения, set top box).

В прошлом МШУ СНТВ обычно содержали несколько отдельных модулей электронных схем, расположенных на печатной плате; в число таких модулей входили модуль, обеспечивающий осуществление операций управления смещением и защиты ПТ; модуль, предназначенный для выработки отрицательного напряжения питания, используемого в управлении ПТ; модуль, предназначенный для определения уровня входного постоянного напряжения для использования в управлении сменой поляризации; модуль, предназначенный для определения входного переменного напряжения для использования в управлении переключением частотных диапазонов; модуль, предназначенный для управления переключением питания гетеродинов; и модуль, предназначенный для обеспечения управляемого электропитания. Размещение таких многочисленных отдельных модулей в известных МШУ требовало использования печатных плат сравнительно большой площади, причем модули занимали до 50 или более процентов суммарной площади печатной платы МШУ. Это увеличивало общую стоимость МШУ, причем увеличение стоимости было связано не только с изготовлением отдельных компонентов и печатной платы (обычно изготавливаемой из дорогостоящих материалов с низкими потерями в радиочастотном диапазоне), но и с затратами на материалы корпуса МШУ (сплавы и пластмассы).

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрен малошумящий усилитель (МШУ), содержащий:

множество полевых транзисторов (ПТ) для обработки сигналов, принимаемых усилителем;

вход питания для получения электропитания, необходимого для работы МШУ; и

вспомогательную монолитную интегральную схему (ИС),

причем вспомогательная монолитная ИС содержит:

цепь управления ПТ для отслеживания и управления током стока каждого из ПТ;

цепь выбора ПТ для определения уровня постоянной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и подачи сигнала выбора ПТ на цепь управления ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянной составляющей, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью отключения одного из двух указанных ПТ в ответ на сигнал выбора ПТ;

цепь регулятора напряжения, соединенную с входом питания и выполненную с возможностью формирования регулируемого выходного напряжения из напряжения сигнала для подачи на вход питания; и

цепь генератора отрицательного напряжения питания, подсоединенную для получения регулируемого выходного напряжения и выполненную с возможностью формирования отрицательного напряжения питания из регулируемого выходного напряжения и подачи отрицательного напряжения питания на цепь управления ПТ, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью использования отрицательного напряжения питания для подачи отрицательного управляющего напряжения на затворы ПТ.

Вход питания может представлять собой выход сигналов, например выход радиочастотных сигналов, причем МШУ предназначен для вывода через указанный выход усиленных сигналов, подаваемых на приборы, соединенные с выходом сигналов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ПТ представляют собой арсенид-галлиевые ПТ.

МШУ может дополнительно содержать средства регулировки токов стока указанных ПТ, причем такие средства регулировки могут содержать резистор, сопротивление которого определяет величину токов стока ПТ. Величина данного тока может быть зафиксирована в процессе проектирования или установлена в процессе изготовления МШУ (для определения коэффициента усиления, IP3 и т.д.). В некоторых вариантах осуществления резистор может быть соединен с землей и с цепью управления ПТ.

В некоторых вариантах осуществления изобретения цепь управления ПТ выполнена с возможностью управления током стока, напряжением стока, током затвора и напряжением затвора каждого из ПТ.

Генератор отрицательного напряжения питания может обеспечивать подачу отрицательного напряжения питания, по меньшей мере, на один компонент МШУ, расположенный вне вспомогательной монолитной ИС. В число таких внешних компонентов входят дублирующие активные смесители, вспомогательные элементы гетеродинов типа MIMIC (millimeter wave monolithic integrated circuit, монолитные интегральные схемы диапазона СВЧ) и т.п.

Цепь регулятора напряжения может быть выполнена с возможностью подачи всего электропитания, необходимого для работы компонентов МШУ, расположенных вне вспомогательной монолитной ИС.

МШУ может дополнительно содержать два гетеродина, причем вспомогательная монолитная ИС может дополнительно содержать:

цепь определения переменной составляющей сигнала, выполненную с возможностью определения переменной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и выдачи сигнала определения переменной составляющей, соответствующего определенной переменной составляющей; и

цепь управления гетеродинами, выполненную с возможностью приема сигнала определения переменной составляющей и избирательного управления одним из двух гетеродинов в соответствии с полученным сигналом определения переменной составляющей.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предусматривается сигнал управления гетеродинами с возможностью избирательного управления гетеродинами путем избирательного переключения подачи электропитания на гетеродины.

Гетеродины могут представлять собой гетеродины типа MIMIC, для работы каждого из которых необходим сигнал управления затвором, причем цепь управления гетеродинами может избирательно управлять гетеродинами путем переключения сигнала управления затвором. Гетеродины типа MIMIC представляют собой крайне простые интегральные схемы, обычно состоящие из двух арсенид-галлиевых ПТ, оптимизированных для использования в осцилляторах.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрен выбор работы гетеродина для определения рабочей полосы частот МШУ.

В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрена цепь управления ПТ с возможностью ограничения тока стока в состоянии неисправности. Например, цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью ограничения увеличения тока стока в состоянии неисправности величиной, не превышающей 20%.

Состояние неисправности может представлять собой, например, короткое замыкание затвора ПТ; короткое замыкание стока ПТ; любую другую неисправность нагрузки цепи.

В некоторых вариантах осуществления изобретения ПТ имеют соответствующие номинальные напряжения, а цепь управления ПТ выполнена с возможностью подачи на ПТ напряжений управления затворами и регулировки каждого из напряжений управления затвором так, чтобы оно находилось в пределах номинального напряжения соответствующего ПТ.

В некоторых вариантах осуществления изобретения в число двух ПТ, избирательно отключаемых цепью управления ПТ в ответ на сигнал цепи выбора ПТ, входят первый ПТ, установленный с возможностью обработки принятого сигнала, имеющего первую поляризацию, и второй ПТ, установленный с возможностью обработки принятого сигнала, имеющего вторую поляризацию, причем цепь выбора ПТ путем избирательного отключения первого или второго ПТ управляет тем, сигнал какой поляризации усиливает МШУ.

Цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью отключения выбранного ПТ путем подачи на затвор напряжения, полностью перекрывающего ток стока данного ПТ.

Цепь управления ПТ также может быть выполнена с возможностью отключения питания стока выбранного для отключения ПТ (т.е. вывод стока является разомкнутой цепью, что позволяет соединять стоки активных и неактивных ПТ).

В альтернативном варианте цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью отключения выбранного ПТ путем отключения питания стока этого ПТ и подачи напряжения на затвор данного ПТ для его перевода в состояние низкого сопротивления.

В некоторых вариантах осуществления изобретения цепь выбора ПТ содержит средства подавления сигналов помех в напряжении сигнала, подаваемого на вход питания в дополнение к постоянной составляющей. Такие средства подавления сигналов помех могут содержать, по меньшей мере, фильтр или цепь задержки.

Цепь определения переменной составляющей сигнала может содержать средства подавления сигналов помех в напряжении сигнала, подаваемого на вход питания в дополнение к переменной составляющей.

Средства подавления сигналов помех цепи определения переменной составляющей сигнала могут содержать, по меньшей мере, фильтр, или детектор уровня, или детектор модуляции, или цепь задержки.

В некоторых примерах цепь регулятора напряжения содержит средства защиты от перегрева (т.е. в случае наступления состояния перегрева вывод регулятора отключают или устанавливают на ноль).

Цепь регулятора напряжения может содержать средства защиты от перегрузки по току (т.е. нагрузка, превышающая заранее установленное предельное значение, должна вызывать падение выходного напряжения регулятора, что позволяет сохранить уровень выходного тока в безопасных пределах).

Следует понимать, что МШУ по изобретению в самом широком толковании не ограничивается использованием определенного типа цепи регулятора напряжения. Другими словами, в вариантах осуществления изобретения могут быть использованы цепи регулятора напряжения различных типов. Например, в цепи регулятора напряжения может быть использована технология линейного регулятора. В некоторых вариантах осуществления изобретения в цепи регулятора напряжения может быть использована технология импульсного преобразования (т.е. цепь может содержать импульсный преобразователь). В импульсном преобразователе в качестве элемента или элементов первичного преобразования энергии могут использоваться катушка или катушки индуктивности. В альтернативном варианте в качестве элемента или элементов первичного преобразования энергии импульсного преобразователя могут использоваться конденсатор или конденсаторы.

МШУ может содержать калибровочный резистор, установленный вне вспомогательной монолитной ИС с возможностью протекания калибровочного тока, и цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью контроля величины тока стока, по меньшей мере, одного из ПТ и контроля величины калибровочного тока при помощи пары транзисторов, причем один транзистор из пары установлен с возможностью протекания через него тока стока, а второй транзистор установлен с возможностью протекания через него калибровочного тока. При этом цепь управления может быть выполнена с возможностью осуществления сравнения токов ПТ и контрольного калибровочного и выработки сигнала управления затвором, который обеспечивает соответствие тока ПТ калибровочному току.

В некоторых вариантах осуществления изобретения токи, протекающие через пару транзисторов, пропорционально уменьшены (т.е. контрольный ток ПТ в установленное число раз меньше действительного тока ПТ), что позволяет использовать калибровочный ток, гораздо меньший тока ПТ, в то же время обеспечивая точное управление последним.

Цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью обеспечения независимого управления токами стоков и напряжениями затворов, по меньшей мере, двух из ПТ.

В некоторых вариантах осуществления изобретения МШУ содержит ПТ, предусмотренный в качестве смесителя (т.е. используемый в конфигурации смесителя). При этом цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью обеспечения независимого управления током стока и напряжением затвора ПТ смесителя.

МШУ может дополнительно содержать резистор калибровки смесителя, установленный вне вспомогательной монолитной ИС с возможностью протекания калибровочного тока смесителя, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью обеспечения контроля величины тока калибровки смесителя.

Цепь управления ПТ может быть выполнена с возможностью обеспечения контроля величины тока стока ПТ смесителя и тока калибровки смесителя при помощи пары транзисторов, установленных с возможностью протекания через них соответствующих токов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения МШУ содержит первый, второй, третий и четвертый ПТ, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью обеспечения избирательного отключения первого и второго ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянной составляющей, а четвертый ПТ установлен с возможностью использования в конфигурации смесителя. Третий ПТ может быть использован в конфигурации усилителя.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусмотрена вспомогательная монолитная ИС по п.38 формулы изобретения.

МШУ согласно изобретению могут представлять собой МШУ сигналов спутников непосредственного телевещания (СНТВ).

Следует понимать, что некоторые варианты осуществления настоящего изобретения имеют преимущество в том, что интеграция всех функций подачи питания и низкочастотных (НЧ) функций в одной монолитной ИС позволяет значительно уменьшить стоимость МШУ СНТВ.

Интеграция всех НЧ-функций в единой ИС обеспечивает значительную экономию площади печатной платы за счет исключения соединений между приборами. Дальнейшая экономия может быть получена в результате устранения потребности во вспомогательных компонентах путем совершенствования конкретных решений.

Другие достоинства вариантов осуществления изобретения станут ясны из последующего описания.

Краткое описание чертежей

Далее следует описание вариантов осуществления настоящего изобретения, приведенное со ссылками на прилагаемые чертежи, которые иллюстрируют примеры осуществления изобретения.

На фиг.1 схематично представлена часть МШУ СНТВ по изобретению.

На фиг.2 представлена более подробная блок-схема компонентов МШУ СНТВ по другому варианту осуществления изобретения.

На фиг.3, a, b представлена принципиальная схема цепи регулировки смещения ПТ в составе монолитной вспомогательной ИС по изобретению.

На фиг.4 представлена принципиальная схема детектора поляризации, интегрированного в монолитную вспомогательную ИС по варианту осуществления изобретения.

На фиг.5 представлена принципиальная схема генератора отрицательного напряжения питания в составе монолитной вспомогательной ИС по изобретению.

На фиг.6 представлена схема стандартного электронного (n-канального) МОП-транзистора.

На фиг.7 представлена схема структуры изолированного электронного (n-канального) МОП-транзистора, используемого в вариантах осуществления изобретения.

На фиг.8, a, b представлена принципиальная схема детектора тональных сигналов в составе монолитной вспомогательной ИС по изобретению.

На фиг.9 представлена принципиальная схема регулятора мощности в составе монолитной вспомогательной ИС по изобретению.

На фиг.10 представлена принципиальная схема генератора эталонного напряжения и напряжения смещения в составе монолитной вспомогательной ИС по изобретению.

Осуществление изобретения

На фиг.1 проиллюстрирована часть малошумящего усилителя сигналов спутника непосредственного телевещания (МШУ СНТВ) по изобретению, который содержит вспомогательную монолитную интегральную схему (СУ) 1, которая сама по себе также составляет предмет изобретения. Помимо вспомогательной ИС 1, МШУ также содержит несколько внешних компонентов, в число которых входят четыре полевых транзистора (ПТ) F1, F2, F3 и F4 и два калибровочных резистора R1 и R2. Электроэнергию питания МШУ подают на разъем 10 входа питания, причем вспомогательная ИС 1 содержит регулятор 4 напряжения, выполненный с возможностью формирования регулируемого подаваемого напряжения из входа питания для запитывания компонентов как в состав интегральной схемы, так и вне ее. Вспомогательная ИС 1 содержит цепь 2 управления ПТ, которая выполнена с возможностью контроля и управления токами стоков каждого из ПТ и, в общем случае, установки величины смещения (выраженную через токи смещения и напряжение смещения) для всех внешних ПТ. Цепь 2 управления ПТ можно представить как содержащую первую, вторую и третью цепи 21, 22 и 23, выполненные с возможностью управления смещением соответственно ПТ F1, F2 и F3. Четвертая цепь 24 управляет смещением ПТ F4, установленного в структуре смесителя (не представленного на схеме), предназначенного для приема входного радиочастотного сигнала и сигнала одного из гетеродинов МШУ (гетеродины на схеме не представлены) и выработки сигнала промежуточной частоты. Цепь управления ПТ также содержит цепь 25 управления током смещения ПТ, которая осуществляет управление током смещения ПТ F1, F2 и F3. Цепь 25 управления током соединена с внешним калибровочным резистором R1, через который протекает калибровочный ток. Цепь 25 управления током регистрирует такой калибровочный ток; данное свойство подробнее описано ниже. Цепь управления ПТ также содержит цепь 26 управления током смещения смесителя, которая предназначена для измерения калибровочного тока смесителя, протекающего через второй калибровочный резистор R2, и обеспечивает независимое управление током смещения через ПТ F4 смесителя.

Вспомогательная монолитная ИС 1 также содержит цепь 3 управления поляризацией, которую также можно назвать цепью выбора ПТ. Цепь 3 предназначена для определения уровня постоянной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход 10 питания, и выдачи цепи 2 управления ПТ сигнала управления выбором ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянного напряжения. В приведенном примере цепь 3 управления поляризацией включает один из двух ПТ, F1 или F2 (что, разумеется, также можно представить как выборочное отключение одного из двух ПТ), в зависимости от определенного уровня постоянного напряжения на входе 10 питания. ПТ F1 установлен с возможностью обработки входных сигналов МШУ с одной поляризацией, а второй ПТ F2 установлен с возможностью обработки сигналов с другой поляризацией. Таким образом, цепь 3 управления поляризацией может определять поляризацию входного сигнала, обрабатываемого МШУ, в соответствии с постоянной составляющей напряжения, поданного на вход 10 питания. В некоторых примерах данный вход питания также является радиочастотным выходом МШУ, и составляющую постоянного напряжения, используемую для выбора поляризации сигнала, подает в МШУ оборудование, присоединенное к нему далее по схеме. Вспомогательная монолитная ИС также содержит цепь 5 генератора отрицательного напряжения питания, выполненную с возможностью формирования отрицательного напряжения питания с использованием регулируемого выходного напряжения из регулятора 4. Отрицательное напряжение питания подают в цепь управления ПТ, которая, в свою очередь, может подавать отрицательное напряжение управления внешними ПТ. В некоторых вариантах осуществления изобретения генератор 5 отрицательного напряжения питания также используют для подачи отрицательного напряжения питания на другие компоненты МШУ, являющиеся внешними относительно вспомогательной ИС 1.

Вспомогательная ИС 1 по фиг.1 также содержит цепь 6 детектора тональных сигналов, выполненную с возможностью определения наличия или отсутствия переменной составляющей управления (т.е. тонального сигнала управления) в сигнале, подаваемом на вход 10 питания. В свою очередь, детектор 6 тональных сигналов подает сигнал определения на цепь 7 включения питания гетеродина, которая подает регулируемое напряжение питания с регулятора 4 напряжения на один из двух выходных разъемов 71, 72 в зависимости от наличия или отсутствия тонального сигнала управления. Разъем 71 предназначен для подачи питания на высокочастотный гетеродин, предусмотренный в составе МШУ, а разъем 72 подает питание на второй, низкочастотный, гетеродин.

Ниже следует более подробное описание МШУ по фиг.1. Как было указано выше, на фиг.1 представлена блок-схема единого универсального МШУ 100 СНТВ, который содержит полностью монолитную вспомогательную ИС 1. В число модулей входят модуль 2 управления ПТ (обеспечивающий управление смещением и настройку токов ПТ), модуль 3 управления переключением поляризации, генератор 5 отрицательного напряжения питания, детектор 6 тональных сигналов, выключатель 7 гетеродинов, а также регулятор 4 внутреннего эталонного напряжения и мощности.

Цепи управления смещением ПТ обеспечивают защиту и управление работой нескольких арсенид-галлиевых полевых транзисторов (ПТ) F1-F4, необходимых для обработки радиочастотных сигналов, частота которых в некоторых вариантах осуществления изобретения может составлять от 5 до 15 ГГц. Данные ПТ, работающие в режиме обеднения, требуют точной регулировки напряжения, подаваемого на стоки, контроля токов стоков и управления ими, а также защищенных от перегрузок по току и напряжению систем управления затворами, способных выдавать напряжение ниже уровня потенциала заземления.

Для обеспечения возможности управления шумовыми характеристиками и усилением пользователь обычно должен иметь возможность управления рабочим током стока ПТ. Варианты осуществления настоящего изобретения отчасти повторяют более ранние решения с частичной интеграцией элементов, позволяя пользователю устанавливать ток стока при помощи одного внешнего резистора R1 (также обозначаемого RcalA), который устанавливает калибровочный ток. Однако опыт применения таких известных интегрированных решений показывает, что согласование резисторов контроля (высокого) тока стока со средствами контроля (малого) калибровочного тока требует использования чрезмерно крупных внутренних компонентов. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения для осуществления операции согласования используют секционированные биполярные транзисторы или полевые МОП-транзисторы (MOSFET), что приводит к значительной экономии размеров поверхности кристалла без потерь точности.

Рабочие характеристики многих типов МШУ СНТВ требуют возможности выбора одной из двух поляризаций входного сигнала; как правило, речь идет о выборе между вертикальной и горизонтальной поляризациями или между правой и левой круговыми поляризациями (соответственно по часовой стрелке и против часовой стрелки). Для этого используют выборочное включение одного из двух входных ПТ усилителя (каждый из которых принимает и усиливает сигналы лишь одной поляризации). Выходные сигналы обоих ПТ суммируют и подают в следующую цепь радиочастотного усилителя. Включение и отключение данных цепей представляет собой сложную операцию, т.к. для поддержания изоляции (между сигналами с разной поляризацией), а также уровня усиления и шумовых характеристик необходимо точное поддержание/регулирование входного и выходного радиочастотного импеданса. Для обеспечения возможности такой селекции в вариантах осуществления изобретения были разработаны два варианта конструкции. В соответствии с первым методом, используемым в вариантах осуществления изобретения, нежелательную поляризацию отбрасывают путем установки на затворе соответствующего ПТ большого, но управляемого отрицательного напряжения, что приводит к полному прекращению тока стока данного элемента. Питание стока также отключают, что позволяет складывать сигналы с разной поляризацией при помощи прямого соединения двух стоков. В соответствии со вторым вариантом, используемым в альтернативных вариантах осуществления изобретения, сигналы с нежелательной поляризацией также отключают путем отключения питания стока, но при этом на затворе соответствующего ПТ устанавливают напряжение, равное 0 В. Поскольку ПТ работает в режиме обеднения, он при этом переходит в состояние низкого сопротивления (а не в состояние открытой цепи, как в случае использования первого метода). Данный альтернативный метод управления поляризацией обеспечивает постоянство согласования по импедансу, что может быть предпочтительно с точки зрения разработчиков МШУ. Управление поляризацией в МШУ СНТВ может быть осуществлено путем изменения постоянного напряжения питания, подаваемого по нисходящему радиочастотному кабелю. Обычно уровни входного напряжения при выборе одной из двух поляризаций составляют 13 В или 18 В. Интегрирование модуля управления источником питания во вспомогательную ИС по вариантам осуществления изобретения позволяет получить поляризованный сигнал без установки на модуле дополнительных входных выводов. Для обеспечения возможности такой экономии в вариантах осуществления изобретения дополнительно обеспечивают эффективную фильтрацию всех нежелательных системных шумов и использование альтернативных сигналов управления без применения каких-либо внешних компонентов. Это представляет собой нетривиальную задачу, т.к. допускаемое падение напряжения в кабелях и неточности работы контроллера могут привести к снижению порогового диапазона сигналов управления до уровня 14,2-15,2 В. Кроме того, данная функция должна работать в присутствии переменных сигналов управления и шумов, амплитуда которых превышает величину остаточного диапазона детектирования. В вариантах осуществления изобретения для разрешения трудной задачи обеспечения точного определения уровня входного постоянного напряжения с использованием интегрированных компонентов приемлемых размеров используют сочетание фильтров и цепей задержки.

Как уже было указано, арсенид-галлиевые усилительные ПТ, используемые в некоторых вариантах осуществления изобретения, работают в режиме обеднения и поэтому требуют управляющего напряжения питания, более низкого (более отрицательного), чем потенциал заземления. Поскольку стандартный кабель подачи радиочастотных сигналов и постоянного напряжения (RF/DC) не может обеспечить подачу такого напряжения, оно должно быть сгенерировано внутри МШУ СНТВ. Вспомогательная ИС по изобретению обеспечивает подачу такого напряжения без использования внешних компонентов. При этом данное напряжение также может быть использовано разработчиком МШУ в других/новых функциях, осуществление которых прямо не обеспечено исходной конструкцией. В некоторых вариантах осуществления изобретения генератор отрицательного напряжения питания использует стандартную схему с емкостной подкачкой заряда. В случае работы на крайне высокой частоте (>1 МГц) он может обеспечить силу тока, достаточную для управления затворами транзисторов и любых внешних приложений без необходимости использования внешней емкости подкачки. В некоторых вариантах осуществления изобретения предусмотрена регулировка выходного напряжения и ограничение силы тока генератора для предотвращения повреждения внешних ПТ чрезмерным напряжением между затвором и истоком или затвором и стоком. Применение новой технологии изолирующей диффузии (описанной ниже) необходимо для интеграции в работу ИС описанного ниже цепи заземления, в котором подложка кристалла соединена с землей. Без применения данных технологий было бы необходимо использование большого количества дополнительных выводов и внешних компонентов.

В некоторых вариантах осуществления изобретения вспомогательные монолитные ИС могут поддерживать МШУ СНТВ, обладающие функцией переключения частотных полос. Для этого включают один из двух гетеродинов. Сигнал, используемый для выбора одной из частотных полос, представляет собой тональный сигнал низкой частоты (например, 22 кГц), складываемый с сигналом постоянного напряжения, подаваемым на МШУ. Таким образом, по нисходящему кабелю питания может быть предусмотрена передача принимаемого радиочастотного сигнала, постоянного напряжения, обеспечивающего питание МШУ и определяющего выбор поляризации, и сигнала переменного напряжения, определяющего выбор частотной полосы. Например, наличие тонального сигнала может соответствовать выбору полосы высоких частот, а его отсутствие - выбору полосы низких частот. Как было указано выше, в кабеле питания могут присутствовать и другие сигналы, используемые для управления работой МШУ. В числе других сигналов могут присутствовать сигналы DiSEqC (Digital Satellite Equipment Control, управление цифровым спутниковым оборудованием), сигналы МАСАВ, тональные сигналы с частотой 60 Гц (все они представляют собой сигналы управления другим оборудованием, которое может использовать тот же кабель питания), а также шумы источника питания и помехи, создаваемые самим МШУ. Необходимо обеспечить надежное выделение требуемого тонального сигнала в присутствии многочисленных источников помех. В некоторых вариантах осуществления изобретения для успешной работы в таких неблагоприятных условиях используют сочетание фильтрации, отбора уровней и детектирования модуляции. Всю обработку сигналов производят без использования каких-либо внешних компонентов. Входящий сигнал поступает со входа питания непосредственно в ИС, так что детектор тональных сигналов не требует дополнительных входных выводов или выводов фильтра.

В некоторых вариантах осуществления изобретения выбор частотной полосы осуществляют включением выключателей высокого напряжения, которые управляют питанием постоянного напряжения двух гетеродинов. В альтернативном варианте для этого также может быть использовано управление затворами элементов MIMIC (монолитной интегральной схемы диапазона СВЧ). Переключение питания гетеродинов может быть связано с определенными затруднениями. Для обеспечения устойчивости радиочастотного сигнала цепи питания гетеродинов должны быть надежно развязаны. Поэтому переключение источников питания приводит к возникновению больших перепадов силы тока при зарядке сглаживающих емкостей. Поскольку такие токи поступают со входа питания постоянного напряжения в МШУ, который обычно имеет плохой (высокий) импеданс источника питания, то переключение гетеродинов может порождать в цепи питания постоянного напряжения большие перепады напряжения. Это может создавать затруднения, т.к. перепады напряжения искажают тот же тональный сигнал, который используют для инициации переключения. В вариантах осуществления изобретения переключение питания гетеродинов осуществляют таким образом, чтобы полностью исключить перепады тока питания. Для этого используют сочетание цепей стробирования, линий задержки и управления временем нарастания сигналов.

Интегрирование регулятора мощности в контроллер МШУ СНТВ (т.е. во вспомогательную монолитную ИС) является важным элементом процесса сокращения числа внешних контактов и соединений между компонентами. Питание, подаваемое на МШУ, представляет собой изменяемые сигналы постоянного напряжения с высоким уровнем шумов и помех. Чтобы использовать такое питание для подачи постоянного напряжения с низким уровнем шума на арсенид-галлиевые ПТ усилителя, гетеродины и установленные после смесителя усилители, предусмотренные в большинстве МШУ, необходим высокопроизводительный регулятор. Такой регулятор должен стабильно работать, обеспечивать очистку от сильных входных шумов (в частности, на частоте 22 кГц) и переносить неисправности (перегрузки по току и перегревы) без необратимых повреждений. В соответствии с настоящим изобретением регулятор соединен с эталонным источником напряжения, который подает калиброванное напряжение на детектор поляризации и регулятор, а также обеспечен функцией обнаружения перегрева. Регулятор выявляет случаи перегрузки по току путем сравнения определенной части выходного тока с внутренним эталонным током. Данная технология избавляет от необходимости установки сопротивлений во входном или выходном каналах с высокими токами, что может привести к ухудшению регулировки выходного сигнала или минимального входного рабочего напряжения.

В некоторых вариантах осуществления изобретения используют вспомогательную монолитную ИС в форме элемента QFN (Quad Flat No-Lead - с плоским квадратным корпусом без выводов) с поверхностным монтажом. Вышеописанное интегрирование всех низкочастотных функций в некоторых случаях позволяет сократить число необходимых внешних разъемов до 16 каналов. Это позволяет обеспечить выполнение всех низкочастотных операций, требуемых в МШУ СНТВ, при помощи небольшого модуля размером 3 на 3 на 0,8 мм. Кристалл ИС установлен в таком элементе на металлическом основании, задняя сторона которого обращена к печатной плате. Основание припаяно к верхнему металлическому слою двухсторонней печатной платы. Обратная сторона печатной платы, смежной с ИС, также должна быть металлизирована, причем два металлических слоя должны быть соединены двумя или более металлизированными сквозными отверстиями. Кроме того, печатная плата должна быть плотно прижата вблизи места установки ИС к корпусу из металлического сплава. Такая конфигурация монтажа обеспечивает достаточно низкое тепловое сопротивление «переход-среда» для рассеивания всей мощности, теряемой в линейном регуляторе источника питания. В описанном варианте осуществления изобретения при использовании данной схемы монтажа было получено тепловое сопротивление «переход-среда» на уровне всего 30°С/Вт.

Более подробная модульная схема примера осуществления изобретения представлена на фиг.2. На схеме представлены основные модули цепей вспомогательной монолитной ИС, используемой в МШУ, и внешние элементы, поддерживаемые ИС или необходимые для ее работы. ИС поддерживает четыре внешних арсенид-галлиевых ПТ: JA1, JA2, JA3 и JM. Два из данных ПТ, JA1 и JA2, используют в качестве внешних усилителей, причем каждый из них соответствует одной из двух возможных поляризаций входного сигнала, и только один из двух ПТ включен в каждый момент времени. Третий ПТ, JA3, включен постоянно; его используют в качестве усилителя. Четвертый ПТ, JM, используют в качестве смесителя. Пользователь устанавливает токи стоков ПТ усилителей и ПТ смесителя при помощи двух «калибровочных» резисторов R1 и R2. ИС подает питание на два гетеродина, высокочастотный и низкочастотный. Она также подает питание на все необходимые усилители радиочастотного диапазона. Питание подается на все цепи через внутренний регулятор 4, питаемый через контакт Vin. Данный контакт служит не только входом источника питания, но и подает питание на компаратор 3 напряжения для управления поляризацией и детектор 6 тональных сигналов для управления высоко- и низкочастотными полосами.

Ниже приведено более подробное описание отдельных цепей.

Цепь 2 управления смещением ПТ, регулирующий условия работы каждого из четырех арсенид-галлиевых ПТ, представлен на фиг.3 (разделенной на фиг.3а и фиг.3b, причем соединения между половинами схемы обозначены буквами от а до р). Он обеспечивает стабильное напряжение стоков ПТ с ограничением их токов. Он контролирует ток стока каждого из ПТ и корректирует напряжение, подаваемое на соответствующий затвор, так, чтобы обеспечить работу данного ПТ при требуемой силе тока стока. В приведенном примере данный элемент устанавливает нулевое напряжение на затворе для переключения управления поляризацией. Основные элементы данной схемы проще всего описать, рассмотрев на фиг.3 третью цепь смещения ПТ, в котором использованы контакты D3, G3 и RcalA, а также внутренние полевые МОП-транзисторы М47-М67.

Выходное напряжение D3 устанавливается внутренним эталонным напряжением, подаваемым на исток транзистора М50. Транзистор М50 используют для компенсации падения напряжения между затвором и истоком работающего транзистора М51, который подает большую часть (99%) выходного тока на контакт D3. Эта компенсация включает в себя эффекты процесса расширения, температуры и тока нагрузки. Для обеспечения точной компенсации тока нагрузки сила тока, подаваемого на транзистор М50 (с транзистора М49), должна составлять некую фиксированную долю ожидаемого выходного тока на контакте D3 (в данном случае - одну сотую, т.к. транзистор М51 открыт в 100 раз шире, чем транзистор М50).

Транзисторы М66 и М64, использующие аналогичную технологию, совместно обеспечивают прохождение одного и того же эталонного напряжения через внешний резистор от контакта RcalA на землю (хотя в данном случае обеспечивают только компенсацию колебаний параметров процесса и температурных эффектов). Выработанный таким образом эталонный ток воспроизводится транзисторами М63 и М61 (с соотношением величин 5:1), а затем транзисторами М62 и М57 (с соотношением величин 1:1) для создания тока в пять раз меньше тока на контакте RcalA, который течет через сток транзистора М57.

Транзистор М53 работает с тем же напряжением между затвором и истоком, что и транзистор М51, хотя и с уменьшением в 100 раз, и передает далее по цепи ток стока, соответствующий току стока транзистора М51 (но уменьшенный в 100 раз). Этот ток воспроизводится транзисторами М52 и М54 (с соотношением величин 5:1), в результате чего получают ток, составляющий 1/500 выходного тока D3. Сигнал со стока М54 подают на сток М57, в результате чего напряжение в этом узле зависит от разности токов двух источников, один из которых определяется контактом RcalA, а другой зависит от выходного тока D3. Следовательно, если ток нагрузки, подаваемый через контакт D3, более чем в 100 раз превышает ток контакта RcalA, то ток стока транзистора М54 превышает ток стока транзистора М57, и напряжение на соединенных стоках будет увеличено. Если ток нагрузки на контакте D3 слишком мал, напряжение будет уменьшено.

МОП-транзисторы М48 и М55 образуют простой дифференциальный усилитель, причем транзистор М47 подает ток постоянной величины на их соединенные истоки, а транзистор М56 служит постоянной по току нагрузкой стока М55 (следует отметить, что исток транзистора М56 соединен с источником отрицательного напряжения, чтобы обеспечить возможность управления элементами с заземленным источником, работающими в режиме обеднения). Когда потенциал затвора М55 становится положительным, элемент отключается и потенциал его стока становится отрицательным, в результате чего на контакте G3 возникает низкий потенциал. Когда потенциал затвора М55 становится отрицательным, потенциал его стока становится положительным, в результате чего на контакте G3 возникает высокий потенциал. Следовательно, когда ток нагрузки на контакте D3 слишком велик (т.е. через внешний ПТ N-канала, работающий в режиме обеднения, проходит слишком высокий ток), потенциал контакта G3 уменьшают (отключая внешний ПТ). Такая система управления сопоставляет ток, проходящий через внешний ПТ, с установленной долей тока, проходящего через контакт RcalA. Ток, подаваемый на контакт G3, поступает от одного из двух источников тока, М47 или М56. Это означает, что максимальный сигнал, подаваемый на затвор внешнего ПТ, ограничен хорошо определенным и безопасным уровнем.

В случае неисправности внешнего ПТ или его соединений и прохождения через него неконтролируемого высокого тока стока напряжение на соединенных стоках транзисторов М54 и М57 резко увеличивается. Такой перепад напряжения включает транзисторы М59 и М58, причем потенциал затвора М51 уменьшают до уровня, необходимого для прекращения чрезмерно высокого тока. Такая система выполняет функцию ограничителя тока и уменьшает перегрузку по току от контакта D3 до уровня, лишь незначительно превышающего нормальные рабочие уровни.

Цепи схемы по фиг.3, относящиеся к контактам D1/G1 и D2/G2, отличаются от вышеописанной третьей цепи только тем, что они содержат цепи, осуществляющие дополнительную функцию переключения поляризации, в результате работы которой в каждый момент времени может быть задействована только одна из данных двух цепей. Все остальные функции остаются теми же, и тот же эталонный ток RcalA используют в качестве стандартного. Цепь контактов DM/GM отличается тем, что использует для установки напряжения на контакте DM более низкое эталонное напряжение (определяемое напряжением Vcc), а также имеет выделенную схему управления током стока (через RcalM).

В известных решениях для измерения как тока стока, так и тока Real использовали резисторы, но крайне большой разброс значений приводит к тому, что такие резисторы либо должны иметь очень большое сопротивление, либо обладают недостатками, связанными с плохим согласованием. В вариантах осуществления настоящего изобретения (как, например, в конфигурации по фиг.3) для измерения таких сильно различающихся токов с высокой точностью используют пары биполярных транзисторов или МОП-транзисторов (которые могут быть очень хорошо согласованы и различаются только занимаемой площадью). Вышеописанный метод позволяет получить большую экономию площади и другие преимущества (например, увеличение динамического диапазона).

Далее со ссылками на фиг.4 приведено описание схемы детектора 3 поляризации по фиг.2. Напряжение, подаваемое на контакт Vin, делят и подают на вход детектора поляризации (через контакт Vpol_in). Затем данное напряжение подают на вход совмещенной схемы интегратора/компаратора, в которой использованы МОП-транзисторы М7-М12. Транзисторы М7 и М8 образуют дифференцирующую пару, которая сравнивает входное напряжение с эталонным. Выходной сигнал усилителя подают в цепь обратной связи через конденсатор С1 для обеспечения функции интегрирования при помощи резистора R3. Данная цепь выдает на выходе результат сравнения входного постоянного напряжения с эталонным. Если во входном сигнале присутствует переменное напряжение помех, под действием которого входной сигнал колеблется вокруг порогового уровня, комбинированный интегратор отсекает средне- и высокочастотные шумы и обеспечивает возможность точного определения постоянного напряжения входного сигнала. В данном варианте осуществления изобретения порог детектора по постоянному напряжению установлен в диапазоне 14,2-15,2 В, однако этот уровень легко может быть изменен изменением отношения входного делителя.

Выходной сигнал компаратора используют для включения одного из двух коммутируемых источников тока (М15 или М18), который заряжает конденсатор (С3) до потенциала Gnd или Vcc в зависимости от состояния выходного сигнала компаратора. Использование крайне малых источников тока создает значительную задержку, которая обеспечивает дополнительную защиту сигнала Vin от шумов.

Выходной сигнал цепи задержки затем подают на схему триггера Шмитта, содержащую транзисторы М19-М30 и выделяющую очищенный от фазовых искажений выходной сигнал из медленно изменяющегося напряжения на конденсаторе С3. Данный выходной сигнал подают на цепь 2 управления смещением ПТ для осуществления управления режимом работы ПТ цепей 1 и 2. В данном варианте осуществления изобретения неиспользуемую цепь отключают путем размыкания выходной цепи стока и переключения вывода затвора на потенциал Gnd. В результате внешний модуль приобретает крайне низкое сопротивление между затвором и стоком и нулевое усиление. В альтернативном варианте осуществления изобретения (который может быть получен простым изменением представленной схемы) неиспользуемую цепь отключают путем размыкания выходной цепи стока и переключения вывода затвора на отрицательный потенциал, достаточно большой для полной отсечки внешнего ПТ (как правило, -2В). В результате внешний модуль приобретает крайне высокое сопротивление между стоком и истоком и нулевое усиление.

На фиг.5 представлена подробная схема цепи генератора 5 отрицательного напряжения питания. Она основана на схеме простого генератора подкачки заряда. МОП-транзисторы М3-М15 вырабатывают двухфазный осциллирующий прямоугольный выходной сигнал с частотой, приблизительно равной 10 МГц. МОП-транзисторы М16-М20 образуют преобразователь уровня, выдающий управляющий сигнал с размахом, равным напряжению питания, для затворов элементов с каналом n-типа, истоки которых соединены с выходом источника отрицательного напряжения. МОП-транзисторы М21-М24 используют такие сигналы управления затворами для формирования неперекрывающихся сигналов управления для транзисторов М32 и М33, которые являются транзисторами выходного синхронного выпрямителя генератора подкачки заряда. МОП-транзисторы М25-М28 генерируют задержанный сигнал управления, соответствующий задержкам в выпрямительной цепи. МОП-транзисторы М29 и М30 используют данный сигнал управления для формирования прямоугольного волнового напряжения, которое, будучи разделено конденсатором С4 и выпрямлено транзисторами М32 и М33, создает отрицательное напряжение на контакте Csub. Созданное выходное отрицательное напряжение сравнивают с эталонным при помощи дифференциального усилителя, состоящего из транзисторов М36-М39, выходной сигнал которого, выводимый через транзистор М31, модулирует амплитуду прямоугольного волнового сигнала, управляющего конденсатором С4, так, чтобы обеспечить регулирование выходного сигнала генератора.

Следует обратить особое внимание на n-канальные МОП-транзисторы, соединенные с источником отрицательного напряжения. Для минимизации теплового сопротивления необходимо обеспечить соединение подложки данной ИС с потенциалом Gnd (землей). Это ограничение означает, что все компоненты ИС, связанные с источником отрицательного напряжения питания, должны работать с напряжениями, меньшими напряжения подложки (0). Обычно это приводит к нарушению изоляции между компонентами. Процесс, выбранный для данного варианта осуществления изобретения, включает в себя возможность использования n-канальных МОП-транзисторов, изолированных карманами n-типа. Такие транзисторы были разработаны для обеспечения возможности создания на контакте объемного канала транзистора смещения при напряжениях, более положительных, чем напряжение подложки, что устраняет снижение к.п.д. (gm, Rds(on)) приборов, работающих при напряжении истока, более положительном, чем напряжение подложки. Конструкция, используемая в стандартных n-канальных МОП-транзисторах, представлена на фиг.6. Следует отметить, что для формирования всех переходов прибора достаточно всего одной операции легирования. Кроме того, пластина подложки, образующая корпус ПТ, снижает к.п.д. прибора при высоком напряжении истока.

На фиг.7 представлена конструкция изолированного n-канального МОП-транзистора, используемого в вариантах осуществления изобретения; данная конструкция направлена на исключение снижения к.п.д., происходящего в известных приборах при работе при высоком напряжении истока. В данной конструкции транзистор образован в кармане р-типа, который должен быть изолирован от подложки р-типа при помощи кармана n-типа. Исток и объемный канал (карман р-типа) обычно соединены проводкой, а карман n-типа обычно соединен проводкой с карманом р-типа или с подходящим источником напряжения, напряжение которого больше напряжения между истоком и объемным каналом. Поскольку объемный канал (корпус) всегда имеет потенциал истока, данный транзистор хорошо работает при любых потенциалах истока, превышающих потенциал подложки.

Однако следует иметь в виду, что данная конструкция может быть использована и другим образом. Если карман n-типа соединен с подложкой, то карман р-типа может иметь большие отрицательные потенциалы, не нарушая изоляцию транзистора. Следовательно, такие изолированные n-канальные МОП-транзисторы могут быть использованы для создания схем, работающих при напряжениях, меньших (более отрицательных), чем потенциал подложки. Эту возможность используют в вариантах осуществления настоящего изобретения. Она не только позволяет создать в составе микросхемы генератор отрицательного напряжения питания, не использующий внешних компонентов, но и создает возможность использования эффективных (активных) элементов управления затворами для цепи управления смещением ПТ. Заземленная подложка и уменьшенное число внешних контактов позволяют использовать стандартную сборку и недорогую упаковку, в то же время обеспечивая низкое тепловое сопротивление, которое позволяет получить высокую рассеиваемую мощность.

Цепь 6 детектора тональных сигналов представлена на фиг.8 (также разделенной на фиг.8а и 8b, причем соединения между половинами схемы обозначены буквами от а до е). В некоторых вариантах осуществления изобретения вспомогательная микросхема поддерживает переключение частотной полосы МШУ, осуществляемое в соответствии с наличием или отсутствием низкочастотного (частотой 22 кГц в данном варианте осуществления изобретения) тонального сигнала, наложенного на сигнал, поступающий в систему через входной разъем Vin. Транзисторы М2-М8 образуют каскадный усилитель переменного напряжения, который принимает любой тональный сигнал, имеющийся в канале Vin, и усиливает его до уровня, пригодного для дальнейшей обработки. Сигнал затем пропускают через двухпороговый компаратор, содержащий транзисторы М9-М24, который измеряет величину входного сигнала и выдает логический выходной сигнал (верхнего или нижнего уровня), соответствующий мгновенному уровню выходного сигнала входного усилителя. Выходной логический сигнал имеет форму сигнала тока, подаваемого на конденсатор С4 и имеющего положительную величину в случае наличия тонального сигнала и отрицательную - в случае его отсутствия. Если выходной ток достаточно мал по сравнению с током С4, детектор можно настроить так, чтобы короткие всплески помех или потоки данных, предназначенные для других систем управления, вызывали ввод в конденсатор малых зарядов. Это позволяет сделать детектор нечувствительным к источникам помех общего канала. Напряжение на конденсаторе С4 измеряют при помощи триггера Шмитта, содержащего транзисторы М26-М39, который осуществляет очищенные от возмущений изменения выходного сигнала при изменении уровня входного тонального сигнала. Транзисторы М40-М53 образуют две цепи управления высокого напряжения, управляемые детектором тональных сигналов. Данные цепи связаны одна с другой, чтобы обеспечить работу только одной из них в любой момент времени, а также медленные переходы при переключениях (что минимизирует помехи, вызванные изменением тока, на входном контакте Vin - источнике управляющего тонального сигнала). В данном варианте осуществления изобретения данные цепи управления могут вырабатывать токи до 50 мА и, следовательно, могут осуществлять управление большинством цепей гетеродинов напрямую.

Цепь 4 регулятора мощности МШУ, представленная на фиг.2, подробно представлена на фиг.9.

Данный интегрированный регулятор мощности (в составе вспомогательной ИС) позволяет исключить проводку между приборами, что сокращает площадь печатной платы и количество внешних контактов модуля. В данном варианте осуществления изобретения регулятор вырабатывает напряжение питания в 5 В с током до 120 мА, используя для управления напряжением Vout отдельный генератор эталонного напряжения в 2 В, определяемого шириной запрещенной зоны. Эталонное напряжение также вызывает отключение регулятора в случае обнаружения чрезмерно высокой температуры кристалла.

Транзисторы М10 и М11, образующие дифференциальный усилитель, сравнивают эталонное напряжение в 2 В с пропорционально уменьшенным выходным сигналом регулятора. Данный усилитель компенсирует отклонения напряжения Vout через элемент М20 вывода питания. Транзистор М19, затвор и исток которого соединены с затвором и истоком транзистора М20, выдает малую долю (1/600) выходного тока. Ток стока данного транзистора воспроизводят при помощи транзисторов М13-М15 и сравнивают с эталонным током, подаваемым с транзистора М17. Если ток, связанный с выходным сигналом, меньше эталонного, то регулятор продолжает работать в нормальном режиме. Если ток, связанный с выходным сигналом, больше эталонного, то на затворе М12 устанавливают положительный потенциал, тем самым включая данный ПТ, который, в свою очередь, уменьшает потенциал на затворе М20, чтобы уменьшить выходной ток до безопасного уровня. Следует отметить, что данный метод управления предельными токами избавляет от необходимости размещения в канале выходного тока резисторов малого сопротивления, имеющих большие физические размеры, что приводит к экономии площади кристалла и повышению устойчивости регулятора к перебоям сигнала (наихудшему случаю падения напряжения между Vin и Vout).

Сток МОП-транзистора М3, включаемого сигналом отключения, соединен со стоком транзистора М12, что позволяет выключать регулятор. Сигнал отключения используют для отключения регулятора в случае обнаружения чрезмерной температуры кристалла.

Цепь генератора эталонного напряжения и смещения по фиг.2 подробно представлена на фиг.10. Данная цепь образует шунтовый генератор эталонного напряжения и смещения, подающий сигналы на все остальные цепи. Поскольку работа данной цепи должна быть обеспечена прежде всех остальных частей конструкции, питание на нее подают непосредственно с входного контакта Vin через резистор R8 высокого сопротивления.

Биполярные транзисторы Q1 и Q2 образуют стандартный генератор эталонного напряжения в 1,25 В, определяемого шириной запрещенной зоны, из которого получают требуемое эталонное напряжение в 2 В путем умножения при помощи резисторов R1 и R2. МОП-транзисторы М1-М7 образуют усилитель сигнала рассогласования, а транзисторы М9-М15 образуют малошумящий источник эталонного тока смещения с автоматической компенсацией температуры. Данный источник эталонного тока смещения является источником тока для всех вышеописанных элементов ИС.

Отрицательный температурный коэффициент Vbe транзистора Q3 сравнивают с напряжением положительного температурного коэффициента эмиттера Q2 при помощи компаратора, образованного транзисторами М18-М24. Данная схема изменяет полярность выходного сигнала, если температура кристалла превышает заранее установленный предел (в данном варианте осуществления равный 150°С), который считают максимальной безопасной рабочей температурой.

Изобретение относится к малошумящим усилителям (МШУ). Технический результат: упрощение цепи управления полевыми транзисторами (ПТ) МШУ. МШУ содержит полевые транзисторы (ПТ) (F1, F2, F3, F4), установленные с возможностью обработки сигналов, принимаемых усилителем; вход (10) питания, выполненный с возможностью приема электропитания, необходимого для работы МШУ; и вспомогательную монолитную интегральную схему (ИС). Вспомогательная монолитная ИС содержит цепь (2) управления ПТ, выполненную с возможностью контроля тока стока каждого из ПТ и управления им; цепь (3, 24, 22) выбора ПТ, выполненную с возможностью определения уровня постоянной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и подачи сигнала выбора ПТ на цепь (2) управления ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянной составляющей. 2 н. и 36 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Малошумящий усилитель (МШУ), содержащий:
множество полевых транзисторов (ПТ) для обработки сигналов, принимаемых усилителем;
вход питания для приема электропитания, необходимого для работы МШУ; и
вспомогательную монолитную интегральную схему (ИС), причем вспомогательная монолитная ИС содержит:
цепь управления ПТ, выполненную с возможностью контроля и управления током стока каждого из ПТ;
цепь выбора ПТ, выполненную с возможностью определения уровня постоянной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и подачи сигнала выбора ПТ на цепь управления ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянной составляющей, причем цепь управления ПТ отключает выбранный один из двух указанных ПТ в ответ на сигнал выбора ПТ;
цепь регулятора напряжения, соединенную с входом питания и выполненную с возможностью формирования из напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, регулируемого выходного напряжения; и
цепь генератора отрицательного напряжения питания, подсоединенную с возможностью получения регулируемого выходного напряжения и формирования из регулируемого выходного напряжения отрицательного напряжения питания и с возможностью подачи отрицательного напряжения питания на цепь управления ПТ, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью использования отрицательного напряжения питания для подачи отрицательного управляющего напряжения на затворы ПТ.

2. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что вход питания представляет собой выход сигналов, причем МШУ выполнен с возможностью вывода через указанный выход усиленных сигналов для получения указанных сигналов устройством, соединенным с выходом сигналов.

3. Малошумящий усилитель по п.2, отличающийся тем, что указанный выход сигналов представляет собой выход радиочастотных сигналов.

4. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что указанные ПТ представляют собой арсенид-галлиевые ПТ.

5. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит средства регулировки токов стока указанных ПТ.

6. Малошумящий усилитель по п.5, отличающийся тем, что указанные средства регулировки содержат резистор, сопротивление которого определяет величину токов стока ПТ.

7. Малошумящий усилитель по п.6, отличающийся тем, что указанный резистор соединяет землю и цепь управления ПТ.

8. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью управления током стока, напряжением стока, током затвора и напряжением затвора каждого из ПТ.

9. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что генератор отрицательного напряжения питания обеспечивает подачу отрицательного напряжения питания, по меньшей мере, на один компонент МШУ, внешний по отношению к вспомогательной монолитной ИС.

10. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь регулятора напряжения выполнена с возможностью подачи всего электропитания, необходимого для работы компонентов МШУ, внешних по отношению к вспомогательной монолитной ИС.

11. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит два гетеродина, причем вспомогательная монолитная ИС дополнительно содержит:
цепь определения переменной составляющей сигнала, выполненную с возможностью определения переменной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и выдачи сигнала определения переменной составляющей, соответствующего определенной переменной составляющей; и
цепь управления гетеродинами, выполненную с возможностью приема сигнала определения переменной составляющей и избирательного включения одного из двух гетеродинов в соответствии с полученным сигналом определения переменной составляющей.

12. Малошумящий усилитель по п.11, отличающийся тем, что сигнал управления гетеродинами формируется для избирательного включения гетеродинов путем избирательного переключения подачи электропитания на гетеродины.

13. Малошумящий усилитель по п.11, отличающийся тем, что гетеродины представляют собой гетеродины типа монолитных интегральных схем диапазона СВЧ (MIMIC), для работы каждого из которых необходим сигнал управления затвором, причем цепь управления гетеродинами избирательно включает гетеродины путем переключения сигнала управления затвором.

14. Малошумящий усилитель по п.11 или 13, отличающийся тем, что выбор включаемого гетеродина осуществляется с возможностью определения рабочей полосы частот МШУ.

15. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью ограничения тока стока каждого из ПТ в случае отказа.

16. Малошумящий усилитель по п.15, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью ограничения увеличения тока стока в случае отказа на величину, не превышающую 20%.

17. Малошумящий усилитель по п.15 или 16, отличающийся тем, что случай отказа выбран из списка, содержащего короткое замыкание затвора ПТ; короткое замыкание стока ПТ; любую другую неисправность нагрузки цепи.

18. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что указанные ПТ имеют соответствующие номинальные напряжения, а цепь управления ПТ выполнена с возможностью подачи на ПТ напряжений управления затворами и регулировки каждого из напряжений управления затвором так, чтобы оно находилось в пределах допустимого номинального напряжения соответствующего ПТ.

19. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что в число двух ПТ, избирательно отключаемых цепью управления ПТ в ответ на сигнал цепи выбора ПТ, входят первый ПТ, установленный с возможностью обработки принятого сигнала, имеющего первую поляризацию, и второй ПТ, установленный с возможностью обработки принятого сигнала, имеющего вторую поляризацию, причем цепь выбора ПТ путем избирательного отключения первого или второго ПТ определяет, сигнал какой поляризации усиливает МШУ.

20. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью отключения выбранного ПТ путем подачи на затвор напряжения, перекрывающего ток стока этого ПТ.

21. Малошумящий усилитель по п.20, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью отключения питания стока выбранного ПТ.

22. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью отключения выбранного ПТ путем отключения питания стока выбранного ПТ и подачи напряжения на затвор этого ПТ для его перевода в состояние низкого сопротивления.

23. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь выбора ПТ содержит средства подавления сигналов помех в напряжении сигнала, подаваемом на вход питания в дополнение к постоянной составляющей.

24. Малошумящий усилитель по п.23, отличающийся тем, что средства подавления сигналов помех содержат, по меньшей мере, один компонент, выбранный из фильтра и цепи задержки.

25. Малошумящий усилитель по п.11, отличающийся тем, что цепь определения переменной составляющей сигнала содержит средства подавления сигналов помех в напряжении сигнала, подаваемого на вход питания в дополнение к переменной составляющей.

26. Малошумящий усилитель по п.25, отличающийся тем, что средства подавления сигналов помех цепи определения переменной составляющей сигнала содержат, по меньшей мере, один компонент, выбранный из фильтра, детектора уровня, детектора модуляции и цепи задержки.

27. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь регулятора напряжения содержит средства защиты от перегрева.

28. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь регулятора напряжения содержит средства защиты от перегрузки по току.

29. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержит калибровочный резистор, внешний по отношению к вспомогательной монолитной микросхеме, включенный с возможностью протекания калибровочного тока, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью контроля величины тока стока, по меньшей мере, одного из ПТ и контроля величины калибровочного тока при помощи пары транзисторов, причем один из пары транзисторов включен с возможностью протекания тока стока, а второй транзистор включен с возможностью протекания калибровочного тока.

30. Малошумящий усилитель по п.29, отличающийся тем, что пара транзисторов секционирована.

31. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью независимого управления токами стоков и напряжениями затворов, по меньшей мере, двух ПТ.

32. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержит ПТ, включенный как смеситель.

33. Малошумящий усилитель по п.32, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью независимого управления током стока и напряжением затвора ПТ смесителя.

34. Малошумящий усилитель по п.32 или 33, отличающийся тем, что дополнительно содержит калибровочный резистор смесителя, внешний по отношению к вспомогательной монолитной ИС, включенный с возможностью протекания калибровочного тока смесителя, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью контроля величины калибровочного тока смесителя.

35. Малошумящий усилитель по п.34, отличающийся тем, что цепь управления ПТ выполнена с возможностью контроля величины тока стока ПТ смесителя и калибровочного тока смесителя при помощи пары транзисторов, включенных с возможностью протекания соответствующих токов.

36. Малошумящий усилитель по п.1, отличающийся тем, что содержит первый, второй, третий и четвертый ПТ, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью избирательного отключения первого и второго ПТ в соответствии с измеренным уровнем постоянной составляющей, а четвертый ПТ использован в структуре смесителя.

37. Малошумящий усилитель по п.36, отличающийся тем, что третий ПТ использован в структуре усилителя.

38. Вспомогательная монолитная интегральная схема для управления полевыми транзисторами (ПТ) малошумящего усилителя, содержащая цепь управления ПТ, выполненную с возможностью контроля и управления током стока каждого из множества ПТ; цепь выбора ПТ, выполненную с возможностью определения уровня постоянной составляющей напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, и подачи сигнала выбора ПТ на цепь управления ПТ в соответствии с определенным уровнем постоянной составляющей, причем цепь управления ПТ отключает выбранный один из двух указанных ПТ в ответ на сигнал выбора ПТ; цепь регулятора напряжения, соединенную с входом питания и выполненную с возможностью формирования из напряжения сигнала, подаваемого на вход питания, регулируемого выходного напряжения; и цепь генератора отрицательного напряжения питания, подсоединенную с возможностью получения регулируемого выходного напряжения и формирования из регулируемого выходного напряжения отрицательного напряжения питания и с возможностью подачи отрицательного напряжения питания на цепь управления ПТ, причем цепь управления ПТ выполнена с возможностью использования отрицательного напряжения питания для подачи отрицательного управляющего напряжения на затворы ПТ.