КАСКОДНЫЙ СВЧ-УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/34 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых СВЧ-сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов, реализуемых по технологиям SGB25VD, SG25H1, SG25H2, SG13S1 и др.).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодныс усилители (КУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходного транзистора - каскада с общией базой [1-21].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, фиг.1, по патенту ES 2.079,397, fig.9.

Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-21], состоит в том, что для СВЧ SiGe технологических процессов в нем неэффективно используется напряжение питания, что отрицательно сказывается на диапазоне изменения выходных напряжений КУ, Кроме этого, КУ-прототип из-за влияния паразитных емкостей на подложку выходного транзистора имеет сравнительно небольшие значения верхней граничной частоты (f_в).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении эффективности использования напряжения питания КУ - создании условий, при которых низковольтные СВЧ транзисторы техпроцесса SGB25VD, внедряемого в России, обеспечивают несколько большие амплитуды выходного напряжения (на 0,7÷0,8 B), чем в КУ-прототипе , где - напряжение положительного источника питания заявляемого устройства). Именно этот недостаток известных КУ не позволяет (в ряде случаев) использовать перспективные SiGe технологии для реализации СВЧ аналоговых микросхем, включающих «двухэтажные» (по числу эмиттерных переходов) конструкции каскодных усилителей.

Дополнительная задача предлагаемого изобретения - расширение диапазона рабочих частот КУ, реализованного на основе SiGe технологий, имеющих большие перспективы в СВЧ электронике.

Поставленные задачи решаются тем, что в каскодном СВЧ-усилителе с малым напряжением питания, содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1 с токовым выходом 2, первый 3 выходной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго 4 выходного транзистора и через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 4 выходного транзистора, связанным с выходом 8 устройства, и второй 9 шиной источника питания, цепь стабилизации статического режима 10, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, причем коллектор второго 4 выходного транзистора связан с первой 6 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - токовый выход 2 входного преобразователя «напряжение-ток» 1 соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора через цепь смещения потенциалов 11 и связан с первой 6 шиной источника питания через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, причем между эмиттером первого 3 выходного транзистора и второй 9 шиной источника питания включен третий 13 токостабилизирующий двухполюсник.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1-п.3 формулы: изобретения.

На фиг.3 - 7 приведены частные варианты построения входного преобразователя «напряжение-ток» 1.

На фиг.8 показана схема заявляемого КУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при сопротивлении R5 двухполюсника коллекторной нагрузки R5=1 кОм.

На фиг.9 представлены: амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.8 при разных значениях корректирующего конденсатора 14 С₁₄=C_var=0÷10 фФ. Из данных графиков следует, что заявляемый КУ, кроме более высокого диапазона изменения выходного напряжения, имеет при С₁₄=10 фФ более высокий диапазон рабочих частот (f_в=33,1 ГГц).

На фиг.10 показана схема заявляемого КУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при сопротивлении двухполюсника (резистора) коллекторной нагрузки R5=1 кОм, зашунтированного паразитной емкостью С₀=100 фФ.

На фиг.11 представлены амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.10 при разных значениях емкости первого 14 корректирующего конденсатора С₁₄=0÷100 фФ. Из данных графиков следует, что заявляемый КУ, фиг.10, кроме более высокого диапазона изменения выходного напряжения имеет при С₁₄=100 фФ более широкий диапазон рабочих частот (f_в=6,0 ГГц) при коэффициенте усиления на постоянном: токе 20 дБ.

На фиг.12 показана схема заявляемого КУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при выполнении двухполюсника коллекторной нагрузки 5 в виде источника опорного тока 1 мА, зашунтированного паразитной емкостью С₀=100 фФ.

На фиг.13 представлены амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.12 при разных значениях емкости первого 14 корректирующего конденсатора С₁₄=C_var=0÷150 фФ. Из данных графиков следует, что заявляемый КУ, кроме более высокого диапазона изменения выходного напряжения, имеет при С₁₄=1.50 фФ более высокий диапазон рабочих частот (f_в=75,3 МГц вместо 24,9 МГц при коэффициенте усиления на постоянном токе 54 дБ).

Каскодный усилитель, фиг.2, содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1 с токовым выходом 2, первый 3 выходной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго 4 выходного транзистора и через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 связан с первой 6 шиной источника питания, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 4 выходного транзистора, связанным с выходом 8 устройства, и второй 9 шиной источника питания, цепь стабилизации статического режима 10, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, причем коллектор второго 4 выходного транзистора связан с первой 6 шиной источника питания. Токовый выход 2 входного преобразователя «напряжение-ток» 1 соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора через цепь смещения потенциалов 11 и связан с первой 6 шиной источника питания через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, причем между эмиттером первого 3 выходного транзистора и второй 9 шиной источника питания включен третий 13 токостабилизирующий двухполюсник.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в схему введен первый 14 корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом устройства 8, а второй вывод связан по переменному току с эмиттером первого 3 выходного транзистора, исключающий влияние цепи смещения потенциалов 11 на частичную характеристику К_у.

Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, между токовым выходом 2 входного преобразователя «напряжение-ток» 1 и эмиттером первого 3 выходного транзистора включен второй 15 корректирующий конденсатор.

Частные варианты построения входного преобразователя «напряжение-ток» 1 содержат элементы 19-22 (фиг.3), элементы 24-25 (фиг.4), элементы 26-28 (фиг.5), элементы 29-31 (фиг.6), элементы 32-34 (фиг.7).

Рассмотрим работу ДУ, фиг.2,

Амплитуды выходного напряжения в заявляемом КУ, фиг.2, для положительной и отрицательной полярностей при использовании преобразователей «напряжение-ток», например, фиг.6 или фиг.7, удовлетворяют условию:

,

где - напряжение положительного источника питания;

E_c10 - напряжение цепи смещения потенциалов 10.

Если выбрать E_c10 отрицательным, то максимальные амплитуды выходного напряжения при соответствующем построении цепи смещения потенциалов 11 будут больше, чем . Если E_c=0, то , что лучше, чем в КУ-прототипе с такими же преобразователями «напряжение-ток» 1.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ, фиг.2, начинает влиять паразитная, емкость на подложку 18 в цепи коллектора транзистора 3 (C₁₈≈100 фФ), через которую протекает переменная составляющая паразитного тока :

где - комплекс тока через паразитный конденсатор 18;

- комплекс напряжения на коллекторе транзистора 3;

7 1

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 18 на частоте сигнала ω.

Напряжение u_к3 передается через транзистор 4 на выход КУ. Поэтому комплекс выходного напряжения и ток через первый 14 корректирующий конденсатор:

,

где - комплекс тока через первый 14 корректирующий конденсатор;

- комплекс сопротивления первого 14 корректирующего конденсатора.

Приращение тока через конденсатор 14 передается в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 3. Поэтому в коллекторной цепи транзистора 3 (если C₁₄≈C₁₈), обеспечивается взаимная компенсация токов и .

Действительно, в достаточно широком диапазоне частот в схеме фиг.2 можно обеспечить

В конечном итоге при C₁₄=C₁₈ диапазон рабочих частот КУ, фиг.2, расширяется. Данный вывод подтверждается компьютерным моделированием (фиг.9, фиг.11, фиг.13).

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высоким диапазоном рабочих частот и более широким динамическим диапазоном изменения выходного напряжения при низковольтном питании и реализации КУ по технологиям SGB25VD, SG25H1, SG25H2, SG13S1 и др.

Литература

1. Патент США №6.825.723, fig.3.

2. Патент США №4.151.483, fig.2.

3. Патент США №4.151.484.

4.. Патент США №3.882.410, fig.3.

5. Патентная заявка WO 2004/030207.

6. Патент США №4.021.749, fig.2.

7. Патент США №3.693.108, flg.9.

8. Патент США №7.113.043, fig.2.

9. Патентная заявка США 2006/0033562.

10. Патентная заявка США 2006/0132242.

11. Патентная заявка США 2006/0119435.

12. Патентная заявка США 2005/0248408.

13. Патент США №6.204.728.

14. Патент США №6.278.329.

15. Патентная заявка США 2005/0225397.

16. Патент США №5.451.906.

17. Патент США №7.098.743, fig.1.

18. Патент Англии GB №1431481, fig.2.

19. Патент США №6.515.547, fig.2.

20. Патентная заявка US 2010/0283543, fig.1.

21. Патент ES 2.079.397 Т3, fig.9.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых СВЧ-сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов, реализуемых по технологиям SGB25VD, SG25H1, SG25H2, SG13SI и др.). Технический результат: повышение эффективности использования напряжения питания каскодного усилителя - создание условий, при которых низковольтные СВЧ-транзисторы техпроцесса SGB25VD обеспечивают несколько большие амплитуды выходного напряжения (на 0,7-0,8 В). Каскодный СВЧ-усилитель с малым напряжением питания содержит входной преобразователь «напряжение-ток», первый и второй выходные транзисторы, двухполюсник коллекторной нагрузки, с первого по третий токостабилизирующие двухполюсники, цепь стабилизации статического режима, цепь смещения потенциалов. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Каскодный СВЧ-усилитель с малым напряжением питания, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1) с токовым выходом (2), первый (3) выходной транзистор, коллектор которого соединен с базой второго (4) выходного транзистора и через двухполюсник коллекторной нагрузки (5) связан с первой (6) шиной источника питания, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (4) выходного транзистора, связанным с выходом (8) устройства, и второй (9) шиной источника питания, цепь стабилизации статического режима (10), связанную с базой первого (3) выходного транзистора, причем коллектор второго (4) выходного транзистора связан с первой (6) шиной источника питания, отличающийся тем, что токовый выход (2) входного преобразователя «напряжение-ток» (1) соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора через цепь смещения потенциалов (11) и связан с первой (6) шиной источника питания через второй (12) токостабилизирующий двухполюсник, причем между эмиттером первого (3) выходного транзистора и второй (9) шиной источника питания включен третий (13) токостабилизирующий двухполюсник.

2. Каскодный СВЧ-усилитель с малым напряжением питания по п.1, отличающийся тем, что в схему введен первый (14) корректирующий конденсатор, первый вывод которого соединен с выходом устройства (8), а второй вывод связан по переменному току с эмиттером первого (3) выходного транзистора.

3. Каскодный СВЧ-усилитель с малым напряжением питания по п.2, отличающийся тем, что между токовым выходом (2) входного преобразователя «напряжение-ток» и эмиттером первого (3) выходного транзистора включен второй (15) корректирующий конденсатор.