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, СВЧ-усилителях, логарифмирующих каскадах, аналоговых перемножителях и смесителях сигналов и т.п.).

В современной микроэлектронике при построении систем на кристалле возникает необходимость применения широкополосных усилителей с несимметричным входом, обеспечивающих логарифмирование входного напряжения (u_вх) и его последующее антилогарифмирующее преобразование с помощью второго каскада на основе дифференциального усилителя [1-18]. Такие ШУ являются основой многих десятков модификаций аналоговых смесителей и перемножителей двух напряжений, ВЧ и СВЧ - управляемых усилителей и т.п. При использовании несимметричного входа, т.е. при наличии одного источника сигнала u_вх, в отличие от симметричных архитектур данного класса существенно ухудшается частотный диапазон. Это обусловлено наличием паразитных емкостей на подложку у транзисторов, устанавливающих статический режим входного фазорасщепителя (преобразователя однофазного сигнала в два противофазных).

Известны схемы широкополосных двухкаскадных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе логарифмирующих p-n переходов - так называемые ячейки Джильберта [1-18].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является широкополосный дифференциальный усилитель, фиг.1, рассмотренный в патенте США №5.521.544, fig.6. Эта же схема присутствует в патентах [2-18].

Существует недостаток известного ШУ, который состоит в значительной деградации верхней граничной частоты (fв) коэффициента усиления по напряжению (Ку) при несимметричном включении источника сигнала u_вх. Следует заметить, что при более сложном симметричном управлении ШУ, например в структуре аналогового перемножителя напряжений, требуется применение входных фазорасщепителей, к которым предъявляются повышенные требования по фазовой идентичности каналов и частотному диапазону.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот широкополосного усилителя.

Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе, фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 3 источником питания через первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники и через первый 6 и второй 7 паразитные конденсаторы соединены по переменному току с общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников, источник входного сигнала 10, связанный с базой первого 1 входного транзистора и общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников питания, масштабирующий резистор 11, первый вывод которого подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, цепь согласования потенциалов 12, включенная между вторым 9 источником питания и объединенными первыми выводами первого 13 и второго 14 логарифмирующих p-n переходов, первый 15 выходной транзистор, база которого соединена с коллектором первого 1 входного транзистора и вторым выводом первого 13 логарифмирующего p-n перехода, второй 16 выходной транзистор, база которого соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и вторым выводом второго 14 логарифмирующего p-n перехода, причем эмиттеры первого 15 и второго 16 выходных транзисторов соединены с первым 17 источником опорного тока, а коллекторы первого 15 и второго 16 выходных транзисторов связаны с выходной цепью нагрузки устройства 18, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен третий 19 входной транзистор, база которого соединена с общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников питания, эмиттер связан с шиной первого 3 источника питания через третий 20 токостабилизирующий двухполюсник и соединен со вторым выводом масштабирующего резистора 11, а коллектор подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора 21, база которого соединена с цепью согласования потенциалов 12, коллектор подключен ко второму 9 источнику питания, причем база второго 2 входного транзистора соединена с базой первого 1 входного транзистора.

На фиг.1 представлена схема ШУ-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого ШУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема ШУ, соответствующая п.2, а на фиг.4 - п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 приведена схема ШУ, соответствующая п.3 формулы изобретения с конкретным выполнением источников опорного тока 32 и 17.

На фиг.6 приведена схема ШУ-прототипа, а на фиг.7 - заявляемого ШУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов.

На фиг.8 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем фиг.6 и фиг.7 при емкости первого 6 паразитного конденсатора 60 фФ и различных емкостях второго 7 паразитного конденсатора (С7=С1) при одинаковых коэффициентах усиления (несимметричное управление дифференциальным каскадом).

На фиг.9 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению схем фиг.6 и фиг.7 при емкостях первого 6 паразитного конденсатора 60 фФ и емкости второго 7 паразитного конденсатора (С7=С1=230 фФ) при одинаковых коэффициентах усиления (несимметричное управление дифференциальным каскадом).

На фиг.10 показана частотная зависимость нормированного к Ку на постоянном токе коэффициента усиления Ку по напряжению схем фиг.6 и фиг.7 при емкости первого 6 паразитного конденсатора 60 фФ и емкости второго 7 паразитного конденсатора (С7=С1=230 фФ).

На фиг.11 приведена схема классического аналогового перемножителя сигналов Джильберта на базе известного ШУ, а на фиг.12 - схема аналогового перемножителя на базе заявляемого ШУ в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На фиг.13 показана частотная зависимость коэффициентов передачи по напряжению сравниваемых схем фиг.11 и фиг.12 при одинаковых коэффициентах усиления.

На фиг.14 показана частотная зависимость нормированного коэффициента передачи по напряжению сравниваемых схем фиг.11 и фиг.12.

Графики фиг.15 показывают, что заявляемый ШУ, фиг.12, является аналоговым перемножителем двух сигналов V_x и V_y.

Из графиков фиг.9, фиг.10, фиг.13 следует, что предлагаемый ШУ обеспечивает усиление сигналов до частоты 16-18 ГГц.

Широкополосный усилитель, фиг.2, содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым 3 источником питания через первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники и через первый 6 и второй 7 паразитные конденсаторы соединены по переменному току с общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников, источник входного сигнала 10, связанный с базой первого 1 входного транзистора и общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников питания, масштабирующий резистор 11, первый вывод которого подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора, цепь согласования потенциалов 12, включенная между вторым 9 источником питания и объединенными первыми выводами первого 13 и второго 14 логарифмирующих p-n переходов, первый 15 выходной транзистор, база которого соединена с коллектором первого 1 входного транзистора и вторым выводом первого 13 логарифмирующего p-n перехода, второй 16 выходной транзистор, база которого соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и вторым выводом второго 14 логарифмирующего p-n перехода, причем эмиттеры первого 15 и второго 16 выходных транзисторов соединены с первым 17 источником опорного тока, а коллекторы первого 15 и второго 16 выходных транзисторов связаны с выходной цепью нагрузки устройства 18. В схему введен третий 19 входной транзистор, база которого соединена с общей шиной 8 первого 3 и второго 9 источников питания, эмиттер связан с шиной первого 3 источника питания через третий 20 токостабилизирующий двухполюсник и соединен со вторым выводом масштабирующего резистора 11, а коллектор подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора 21, база которого соединена с цепью согласования потенциалов 12, коллектор подключен ко второму 9 источнику питания, причем база второго 2 входного транзистора соединена с базой первого 1 входного транзистора. Выходная цепь нагрузки 18 содержит, в частном случае, резисторы 22 и 23.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве первого 17 источника опорного тока используется управляемый вспомогательным управляющим напряжением (U_y) источник опорного тока, который реализован на элементах 24, 25, 26, 27, 28.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения в схему введены третий 30 и четвертый 31 выходные транзисторы, база третьего 30 выходного транзистора соединена с базой первого 15 выходного транзистора, база четвертого 31 выходного транзистора соединена с базой второго 16 выходного транзистора, коллектор третьего 30 выходного транзистора связан с коллектором второго 16 выходного транзистора, коллектор четвертого 31 выходного транзистора соединен с коллектором первого 15 выходного транзистора, причем объединенные эмиттеры третьего 30 и четвертого 31 выходных транзисторов соединены со вторым 3 источником питания, через второй 32 источник опорного тока. Схема фиг.4 может реализовывать функции премножения сигналов u_вх и u_y.

На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения в качестве первого 17 и второго 32 источников опорного тока используются противофазно-управляемые вспомогательным управляющим напряжением u_y источники опорного тока, реализованные на транзисторах 33, 35, источниках тока 34, 36 и резисторе 37.

Рассмотрим преимущества заявляемой схемы ШУ, фиг.2.

В схеме ШУ-прототипа, фиг.1, на высоких частотах при несимметричном (однофазном) включении источника сигнала u_вх (10) образуются неодинаковые пути передачи u_вx на базы выходных транзисторов 15 и 16. Это обусловлено наличием паразитных конденсаторов 6 и 7 (емкостей на подложку транзисторов, образующих первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники). Поэтому фазовая погрешность преобразования u_вx начинает проявляться уже на частотах f=5,5 ГГц (фиг.10).

В заявляемом ШУ, фиг.2, каналы передачи сигнала (10) u_вx на входы второго каскада (базы первого 15 и второго 16 выходных транзисторов) одинаковы, что способствует расширению частотного диапазона устройства. Данные выводы подтверждены результатами компьютерного моделирования (фиг.10), которые показывают, что верхняя граничная частота (f_в) коэффициента усиления по напряжению ШУ, фиг.2, увеличивается в 2-3 раза до 18,5 ГГц.

В качестве источников опорного тока 17 и 32 авторы рекомендуют использование классических преобразователей «напряжение-ток» на основе дифференциальных каскадов с местной обратной связью (на фиг.3 - это транзисторы 25 и 24, на фиг.4 - транзисторы 33 и 35).

Цепь согласования потенциалов 12 может быть реализована на основе стабилитронов или резисторов.

В качестве первого 4 и второго 5 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 17 и второго 32 источников опорного тока и второго могут применяться высокоомные резисторы, а также классические схемы на транзисторах, например токовые зеркала.

На базе предлагаемого ШУ в соответствии с п.3 и п.4 формулы изобретения реализуются управляемые усилители (фиг.3) и аналоговые перемножители сигналов, схемы и характеристики которых приведены на фиг.5, фиг.12, фиг.14 и фиг.15.

Таким образом, заявляемый широкополосный усилитель характеризуется более широким (в 2÷3 раза) частотным диапазоном.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.521.544, fig.6.

2. Патент США №6.111.463, fig.1.

3. Патент США №4.572.975, fig.1.

4. Патент США №5.550.512, fig.3.

5. Патент США №5.115.409, fig.1.

6. Патент США №4.439.696, fig.2.

7. Патент США №5.883.539, fig.2.

8. Патент США №4.288.707.

9. Патент США №5.774.020, fig.1.

10. Патент США №5.677.646.

11. Патент США №5.039.952, fig.5.

12. Патент США №5.734.294, fig.4.

13. Патент США №5.886.916, fig.1.

11. Патент США №6.369.618, fig.2.

15. Патентная заявка США №2002/0053935, fig.4.

16. Патентная заявка США №2004/0251965, fig.5.

17. Патентная заявка США №2004/0032298, fig.1.

18. Патент WO 2002/071597.

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, СВЧ-усилителях, логарифмирующих каскадах, аналоговых перемножителях и смесителях сигналов и т.п.). Технический результат - расширение диапазона рабочих частот широкополосного усилителя. Широкополосный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), эмиттеры которых связаны с первым (3) источником питания (ИП) через первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники (ТД) и через первый (6) и второй (7) паразитные конденсаторы соединены по переменному току с общей шиной (8) первого (3) и второго (9) ИП, источник входного сигнала (10), связанный с базой первого Т (1) и общей шиной (8), масштабирующий резистор (11), первый вывод которого подключен к эмиттеру Т (1), цепь согласования потенциалов (12), включенная между вторым (9) ИП и объединенными первыми выводами первого (13) и второго (14) логарифмирующих р-n переходов, первый (15) выходной Т, база которого соединена с коллектором Т (1) и вторым выводом первого (13) логарифмирующего р-n перехода, второй (16) выходной Т, база которого соединена с коллектором Т (2) и вторым выводом второго (14) логарифмирующего р-n перехода, причем эмиттеры Т (15) и Т (16) соединены с первым (17) источником опорного тока, а коллекторы связаны с выходной цепью нагрузки устройства (18). В схему введен третий (19) входной Т, база которого соединена с общей шиной (8), эмиттер связан с шиной первого (3) ИП через третий (20) ТД и соединен со вторым выводом масштабирующего резистора (11), а коллектор подключен к эмиттеру вспомогательного Т (21), база которого соединена с цепью согласования потенциалов (12), коллектор подключен ко второму (9) ИП, причем база Т (2) соединена с базой Т (1). 3 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Широкополосный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с первым (3) источником питания через первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники и через первый (6) и второй (7) паразитные конденсаторы соединены по переменному току с общей шиной (8) первого (3) и второго (9) источников питания, источник входного сигнала (10), связанный с базой первого (1) входного транзистора и общей шиной (8) первого (3) и второго (9) источников питания, масштабирующий резистор (11), первый вывод которого подключен к эмиттеру первого (1) входного транзистора, цепь согласования потенциалов (12), включенная между вторым (9) источником питания и объединенными первыми выводами первого (13) и второго (14) логарифмирующих р-n переходов, первый (15) выходной транзистор, база которого соединена с коллектором первого (1) входного транзистора и вторым выводом первого (13) логарифмирующего р-n перехода, второй (16) выходной транзистор, база которого соединена с коллектором второго (2) входного транзистора и вторым выводом второго (14) логарифмирующего р-n перехода, причем эмиттеры первого (15) и второго (16) выходных транзисторов соединены с первым (17) источником опорного тока, а коллекторы первого (15) и второго (16) выходных транзисторов связаны с выходной цепью нагрузки устройства (18), отличающийся тем, что в схему введен третий (19) входной транзистор, база которого соединена с общей шиной (8) первого (3) и второго (9) источников питания, эмиттер связан с шиной первого (3) источника питания через третий (20) токостабилизирующий двухполюсник и соединен со вторым выводом масштабирующего резистора (11), а коллектор подключен к эмиттеру вспомогательного транзистора (21), база которого соединена с цепью согласования потенциалов (12), коллектор подключен ко второму (9) источнику питания, причем база второго (2) входного транзистора соединена с базой первого (1) входного транзистора.

2. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (17) источника опорного тока используется управляемый вспомогательным управляющим напряжением источник опорного тока.

3. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в схему введены третий (30) и четвертый (31) выходные транзисторы, база третьего (30) выходного транзистора соединена с базой первого (15) выходного транзистора, база четвертого (31) выходного транзистора соединена с базой второго (16) выходного транзистора, коллектор третьего (30) выходного транзистора связан с коллектором второго (16) выходного транзистора, коллектор четвертого (31) выходного транзистора соединен с коллектором первого (15) выходного транзистора, причем объединенные эмиттеры третьего (30) и четвертого (31) выходных транзисторов соединены со вторым (3) источником питания через второй (32) источник опорного тока.

4. Широкополосный усилитель по п.3, отличающийся тем, что в качестве первого (17) и второго (32) источников опорного тока используются противофазно-управляемые вспомогательным управляющим напряжением источники опорного тока.