ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКА Российский патент 2012 года по МПК H03F3/00 

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 тока, смесителях и перемножителях сигналов и т.п.).

В современной микроэлектронике широко применяются так называемые усилители тока Гильберта [1]. Их основное достоинство - широкий диапазон рабочих частот и наиболее полное использование высокочастотных свойств применяемых транзисторов. Такие усилители стали базовым функциональным узлом многих СВЧ изделий [1-17].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является широкополосный усилитель (ШУ), описанный в патенте фирмы Siemens US 4.277.756 (фиг.1). Кроме этого данная архитектура присутствует во многих других публикациях [1-17].

ШУ-прототип содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного ШУ состоит в том, что он не работоспособен при напряжениях питания . Это не позволяет использовать данную архитектуру в электронных схемах с , а также при их изготовлении по СВЧ SiGe-технологиям с малыми топологическими нормами, которые не допускают работу транзисторов при

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в снижении допустимого напряжения питания ШУ до 1,5 В при сохранении на достаточно высоком уровне основных динамических параметров.

Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе тока, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 8, эмиттер первого 15 дополнительного транзистора подключен к первому 2 входу устройства, эмиттер второго 16 дополнительного транзистора подключен ко второму 6 входу устройства, коллектор первого 15 дополнительного транзистора соединен с базой второго 9 входного транзистора и первой 17 цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго 16 дополнительного транзистора связан с базой четвертого 10 входного транзистора и второй 18 цепью дополнительной нагрузки.

На фиг.1 представлена схема широкополосного усилителя-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 представлена схема ШУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.4 - схема заявляемого широкополосного усилителя тока фиг.2.

На фиг.5 приведена зависимость коэффициента передачи по току K_i заявляемого ШУ фиг.4 от частоты при различных значениях суммарного тока эмиттерной цепи I₁₇=I₀ транзисторов Q₂₄, Q₂₅ (т.е. транзисторов 9 и 10, фиг.2).

На фиг.6 показана частотная зависимость нормированного коэффициента передачи по току ШУ, фиг.4 (K_inormal), при токе I₁₇=I₆=8 мА, где

К₀ - коэффициент усиления по току K_i в диапазоне средних частот.

Широкополосный усилитель тока, фиг.2, содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов. В схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 8, эмиттер первого 15 дополнительного транзистора подключен к первому 2 входу устройства, эмиттер второго 16 дополнительного транзистора подключен ко второму 6 входу устройства, коллектор первого 15 дополнительного транзистора соединен с базой второго 9 входного транзистора и первой 17 цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго 16 дополнительного транзистора связан с базой четвертого 10 входного транзистора и второй 18 цепью дополнительной нагрузки. В практических схемах в качестве вспомогательного источника напряжения 8 может использоваться общая шина источников питания 4 и 13.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первая 17 и вторая 18 цепи дополнительной нагрузки выполнены в виде двух последовательно соединенных прямосмещенных p-n переходов (21, 22) и (23, 24). В ряде случаев это могут быть резисторы.

В частном случае токовые выходы устройства 12 и 14 могут быть подключены к резисторам основной нагрузки 19 и 20, осуществляющим преобразование выходных токов в выходные напряжения.

Рассмотрим работу ШУ фиг.1 и фиг.2 на постоянном токе.

При практической реализации токостабилизирующих двухполюсников ШУ-прототипа, фиг.1, его минимальное напряжение питания определяется тремя прямосмещенными p-n переходами (транзисторы 1, 9 и транзистор, на основе которого выполнен двухполюсник 11) (U_кэ.min.11≈0,7 B, U_эб9≈U_эб1≈0,7 В). Поэтому . Практически из-за особенностей SiGe транзисторов в ШУ-прототипе .

Статический режим транзисторов заявляемой схемы ШУ, фиг.2, устанавливается двухполюсниками 3, 7, 11. За счет новых связей токостабилизирующие двухполюсники 3, 11, 7 реализуются по одинаковым (традиционным) схемам источников тока на биполярных транзисторах и имеют одинаковое минимальное напряжение U_кэ.min, при котором их транзисторы не входят в насыщение (U_кэ.min≈0,7 B). В результате схема, фиг.2, может иметь малые отрицательные и положительные напряжения питания:

где - напряжения на p-n переходах 21, 22;

- минимально возможное напряжение на двухполюснике 3, выполненном на биполярном транзисторе, находящемся в активном режиме;

- напряжение эмиттер-база 15.

На переменном токе ШУ, фиг.2, работает аналогично ШУ, фиг.1, и имеет практически такие же характеристики (фиг.5, фиг.6), что и известное устройство - обеспечивает усиление сигналов до частоты f_в=43,4 ГГц.

Приращение входного тока i_вx=2i_вx.2 ШУ, фиг.2, делится на две части. Первая составляющая i_вx поступает в эмиттер, а затем коллектор первого 1 входного транзистора. Вторая составляющая передается в коллектор транзистора 15 и создает на цепи нагрузки 17 приращение напряжения, поступающее на базу транзистора 9. Как следствие, изменяются эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 9 и 10, что вызывает в цепи токового выхода 12 суммарное приращение тока:

где .

За счет изменения отношения /I₀ можно управлять величиной K_i в схеме ШУ, фиг.2.

Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции СВЧ-усилителя тока при напряжениях питания , что недостижимо в рамках известных технических решений.

Источники информации

1. Barrie Gilbert. A Precise Four-Quadrant Multiplier with Subnanosecond Response/ IEEE Journal of Solid-State circuits, vol. sc-3, no.4, December, 1968. - С.365-373.

2. Патент США №2.013.444 НЗТ.

3. Патент США №4.277.756.

4. Патент Японии JP 54-34308(9815) А21.

5. Патент США №4.048.577, фиг.1.

6. Патентная заявка США №2009/0219094.

7. Патент WO №03/044948, фиг.2.

8. Патент США №3.760.194, фиг.2.

9. Патент США №3.931.583, фиг.7.

10. Патент США №4.528.517.

11. Патент США №3.843.934, фиг.1.

12. Патент США №6.529.075, фиг.1.

13. Патент №1454411.

14. Патент США №4.322.688.

15. Патент США №6.529.075, фиг.1.

16. Патентная заявка Японии JP 2004/88498, фиг.2.

17. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.240, рис.8.53.

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 тока, смесителях и перемножителях сигналов и т.п.). Техническим результатом является снижение допустимого напряжения питания широкополосного усилителя до 1,5 В при сохранении основных качественных показателей. В широкополосный усилитель тока введены первый (15) и второй (16) дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения (8), эмиттер первого (15) дополнительного транзистора подключен к первому (2) входу устройства, эмиттер второго (16) дополнительного транзистора подключен ко второму (6) входу устройства, коллектор первого (15) дополнительного транзистора соединен с базой второго (9) входного транзистора и первой (17) цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго (16) дополнительного транзистора связан с базой четвертого (10) входного транзистора и второй (18) цепью дополнительной нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Широкополосный усилитель тока, содержащий первый (1) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым (2) токовым входом и через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, второй (5) входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (6) токовым входом и через второй (7) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения (8), связанный с базами первого (1) и второго (5) входных транзисторов, третий (9) и четвертый (10) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой (4) шиной источников питания через третий (11) токостабилизирующий двухполюсник, первый (12) токовый выход устройства, согласованный со второй (13) шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого (1) и четвертого (10) входных транзисторов, второй (12) токовый выход устройства, согласованный со второй (13) шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго (5) и третьего (9) входных транзисторов, отличающийся тем, что в схему введены первый (15) и второй (16) дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения (8), эмиттер первого (15) дополнительного транзистора подключен к первому (2) входу устройства, эмиттер второго (16) дополнительного транзистора подключен ко второму (6) входу устройства, коллектор первого (15) дополнительного транзистора соединен с базой второго (9) входного транзистора и первой (17) цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго (16) дополнительного транзистора связан с базой четвертого (10) входного транзистора и второй (18) цепью дополнительной нагрузки.

2. Широкополосный усилитель тока по п.1, отличающийся тем, что первая (17) и вторая (18) цепи дополнительной нагрузки выполнены в виде последовательно соединенных прямосмещенных p-n переходов.