УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРОТИВОФАЗНЫМИ ТОКОВЫМИ ВЫХОДАМИ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла различных устройств усиления переменных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях, компараторах, фазорасщепителях и т.п.).

Основой большинства современных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов являются так называемые «токовые зеркала» (повторители тока) [1-79]. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, H03K МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются динамическими параметрами токовых зеркал. Именно этим объясняется большое число патентов, посвященных данному подклассу функциональных узлов [1-79].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является усилитель переменного тока (УТ) (фиг.1), представленный в патенте фирмы Analog Devices US 6.677.807, fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания.

Существенный недостаток известного УТ состоит в том, что он имеет несимметричные противофазные токовые выходы, согласованные с разными шинами источников питания (4, 8), что ограничивает его применение в качестве токовых фазорасщепителей входного однофазного сигнала - так называемых «балунов» (bulun).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в «привязке» противофазных токовых выходов устройства к одной (первой 4) шине источников питания.

Дополнительная задача - формирование на базе заявляемого УТ (фиг.1) избирательного усилителя с резонансной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).

Поставленные задачи решаются тем, что в усилителе тока, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 2 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора и входом 6 устройства, который через источник входного тока 5 связан со второй 8 шиной источника питания, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом 7 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, эмиттер первого 2 выходного транзистора через дополнительный источник тока 9 связан со второй 8 шиной источника питания и через корректирующий конденсатор 10 подключен к неинвертирующему токовому выходу 7 устройства.

Схема УТ-прототипа представлена на чертеже фиг.1, а на чертеже фиг.2 показан вариант его типового включения в структуру дифференциального усилителя, выполняющего для заявляемого устройства функции источника входного тока.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на чертеже фиг.3.

На чертеже фиг.4 показана схема УТ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На чертеже фиг.5 представлена схема УТ в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.6 показана схема УТ по п.5 формулы изобретения.

На чертежах фиг.7 и фиг.8 показаны схемы УТ в структуре дифференциальных усилителей, характеризующие применение заявляемого устройства.

На чертежах фиг.9 показана схема заявляемого УТ (фиг.3) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe-транзисторов, а на чертеже фиг.10 - ее частотная зависимость коэффициента усиления по току УТ со входа 6 на выходы и 7(Вых.i₁) (out_i₁, out_i₂, фиг.9).

На чертеже фиг.11 показана схема УТ фиг.6 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe-транзисторов.

На чертеже фиг.12 представлена частотная зависимость коэффициентов передачи тока K_i со входа устройства на выходы out1 и out2 УТ фиг.11 при емкости корректирующего конденсатора 10 C₁₀=C=10 нФ.

На чертеже фиг.13 показана схема усилителя тока фиг.6 в режиме СВЧ избирательного усилителя при C₁₀=C=1 пФ.

На чертеже фиг.14 представлена частотная зависимость коэффициентов передачи по току K_i УТ фиг.13 на выходы out1 и out2 в режиме избирательного усилителя СВЧ диапазона при емкости корректирующего конденсатора 10 C₁₀=C=1 пФ.

Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами фиг.3 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания. База первого 2 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора и входом 6 устройства, который через источник входного тока 5 связан со второй 8 шиной источника питания, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом 7 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, эмиттер первого 2 выходного транзистора через дополнительный источник тока 9 связан со второй 8 шиной источника питания и через корректирующий конденсатор 10 подключен к неинвертирующему токовому выходу 7 устройства.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 выходной транзистор выполнен в виде составного транзистора, содержащего m₂≥1 параллельно включенных биполярных транзисторов.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, неинвертирующий токовый выход 7 устройства соединен с эмиттером первого 11 дополнительного транзистора, база которого связана с источником вспомогательного напряжения 12, а коллектор соединен с дополнительным неинвертирующим токовым выходом 13 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания. Выходы 3 и 13 устройства могут быть связаны с резисторами нагрузки 14 и 15.

На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, инвертирующий токовый выход 3 устройства соединен с эмиттером второго 16 дополнительного транзистора, база которого подключена к базе первого 11 дополнительного транзистора, а коллектор соединен с дополнительным инвертирующим токовым выходом 17 устройства.

На чертеже фиг.6, в соответствии с п.5 формулы изобретения, первый 11 дополнительный транзистор выполнен в виде m₂ параллельно включенных (по эмиттерно-базовым переходам) вспомогательных биполярных транзисторов, причем коллекторы m₂-1 вспомогательных биполярных транзисторов в структуре первого 11 дополнительного транзистора соединены с дополнительным неинвертирующим выходом 13 устройства, а коллектор m₂-ного вспомогательного биполярного транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, где m₂ - количество параллельно включенных биполярных транзисторов в структуре первого 2 выходного транзистора.

В схеме фиг.7 функции источника входного тока 5 и дополнительного источника тока 9 выполняют токовые выходы преобразователя «напряжение-ток» ПНТ1, например дифференциального каскада. Эта схема показывает одно из направлений практического использования заявляемого устройства.

Пример практической реализации усилителя фиг.7 дан на чертеже фиг.8, в котором в качестве динамической нагрузки в цепи выхода 3 используется источник тока 18.

Рассмотрим работу заявляемого УТ фиг.3.

На высоких частотах, когда можно пренебречь влиянием реактивного сопротивления емкости конденсатора 10, при изменении входного тока устройства на величину i_вх токи через эмиттерные переходы транзисторов 1 и 2, а также токи выходов 3 и 7:

где m₂ - число параллельно включенных транзисторов, образующих составной транзистор 2, для которого напряжение эмиттер-база u_эб.2=u_эб.1.

Таким образом, коэффициенты передачи по току УТ фиг.3 на выход 3 (K_i3) и выход 7 (K_i7):

Из формул (4), (5) следует, что в заявляемом устройстве фиг.3 реализуются функции фазорасщепителя входного однофазного сигнала (i_вх) с токовыми выходами 3 и 7, «привязанными» к одной (первой) 4 шине источника питания, что существенно расширяет области его практического использования. Однако K_i3≠K_i7.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.9, фиг.11, фиг.13.

Введение транзистора 11 в соответствии с чертежом фиг.4 обеспечивает достаточно высокие значения выходного сопротивления УТ для выходов 3 и 13.

В схеме фиг.5 транзисторы 16 и 11 обеспечивают каскодную (то есть более высокочастотную) передачу входного тока на выходы 17 и 13.

Введение транзистора 11 в соответствии с п.5 формулы изобретения (фиг.6) решает задачу «выравнивания» коэффициентов усиления по току для инвертирующего (K_i13) и неинвертирующего (K_i17) выходов УТ (фиг.12, фиг.14). В этом случае, за счет многоколлекторного транзистора 11 обеспечивается равенство K_i13=K_i17:

Действительно, сравнение графиков фиг.10 и фиг.12 (фиг.14) показывает достаточно высокую идентичность передачи входного токового сигнала на противофазные выходы 17 и 13 устройства до частот 10-15 ГГц. Причем за счет выбора емкости корректирующего конденсатора 10 реализуется резонансный вид амплитудно-частотной характеристики (фиг.14).

Таким образом, заявляемый УТ имеет два противофазных токовых выхода, согласованных с шиной положительного источника питания, и, кроме этого, характеризуется свойствами резонансного усилителя с K_i>1. Данные свойства УТ позволяют реализовать на его основе аналоговые смесители сигналов на основе ячеек Гильберта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка - XXX1», 2007. - 528 с., ил., с.21, рис.7.9.

2. Патент РФ №1.329.639

3. Патент США №3.681.623

4. Патент США №3.813.607

5. Патент США №3.835.410

6. Патент США №4.008.441, H03f 3/16

7. Патент США №4.013.973

8. Патент США №4.030.044 (фиг.3)

9. Патент США №4.095.189

10. Патент США №4.117.417

11. Патент США №4.241.315

12. Патент США №4.345.213

13. Патент США №4.412.186, H03f 3/04

14. Патент США №4.471.236

15. Патент США №4.591.804, H03f 3/04

16. Патент США №4.769.619

17. Патент США №4.855.686

18. Патент США №4.937.515 G05f 3/26

19. Патент США №4.990.864

20. Патент США №5.053.718

21. Патент США №5.079.518 H03K 3/16

22. Патент США №5.164.658

23. Патент США №5.373.253

24. Патент США №5.399.991

25. Патент США №5.572.114

26. Патент США №5.969.574

27. Патент США №5.986.507

28. Патент США №6.016.050

29. Патент США №6.570.438

30. Патент США №6.573.795

31. Патент США №6.586.918

32. Патент США №6.606.001

33. Патент США №6.300.803

34. Патент США №6.528.981

35. Патент США №6.630.818

36. Патент США №6.639.452

37. Патент США №6.677.807

38. Патент США №6.680.605

39. Патентная заявка США 2006/0033577, fig.4

40. Патент США 5.157.322, fig.4

41. Патентная заявка США 2003/0030492, fig.1

42. Патент США 6.633.198, fig.1

43. Патент США 4.057.763

44. Патент США №6.657.481, fig.2

45. Патент США №6.573.795, fig.1

46. Патент США №6.680.651, fig.1

47. Патент США №6.291.977, fig.1a

48. Патент США №4.733.161, fig.1

49. Патент США №4.897.614, fig.1б

50. Патент США №5.933.055, fig.4в

51. Патент США №4.567.444, fig.1

52. Патент США№5.512.815, fig.1в

53. Патент США №4.031.456, fig.1

54. Патент США №4.300.091, fig.10

55. Патент США №4.345.217, fig.1

56. Патент США №3.921.013, fig.2

57. Патент США №5.132.640, fig.1

58. Патент США №5.394.079, fig.1

59. Патент США №4.158.178, fig.2

60. Патент США №3.952.257, fig.1

61. Патент США №3.588.672, fig.6

62. Патент США №3.320.439

63. Патент США №4.879.524, fig.1

64. Патент США №6.586.918

65. Патентная заявка США 2005/021894

66. Патентная заявка США 2010/0127765, fig.1

67. Патент США №4.536.702, fig.1

68. Патент США №5.633.612, fig.1

69. Патент США №4.462.005, fig.1

70. Патент США №4.528.496, fig.1

71. Патент США №4.473.794, fig.5

72. Патент США №5.721.512, fig.1

73. Патент США №6.816.014, fig.1

74. Патент США №3.979.606, fig.1

75. Патент США №5.357.188, fig.5

76. Патент США №6.191.656

77. Патент США №5.291.149, fig.5

78. Патент РФ 2193273

79. Патентная заявка США 2004/081688

Изобретение относится к области радиотехники. Техническим результатом является обеспечение согласования противофазных токовых выходов с одной шиной источников питания. В усилителе база первого выходного транзистора соединена с его эмиттером и входом (6) устройства, который через источник входного тока связан со второй шиной источника питания, коллектор первого входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом устройства, согласованным с первой шиной источника питания, эмиттер первого выходного транзистора через дополнительный источник тока связан со второй шиной источника питания и через корректирующий конденсатор подключен к неинвертирующему токовому выходу устройства. 4 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый (2) выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом (3) устройства, согласованным с первой (4) шиной источника питания, источник входного тока (5), связанный со входом (6) устройства, неинвертирующий токовый выход (7) устройства, вторую (8) шину источника питания, отличающийся тем, что база первого (2) выходного транзистора соединена с эмиттером первого (1) входного транзистора и входом (6) устройства, который через источник входного тока (5) связан со второй (8) шиной источника питания, коллектор первого (1) входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом (7) устройства, согласованным с первой (4) шиной источника питания, эмиттер первого (2) выходного транзистора через дополнительный источник тока (9) связан со второй (8) шиной источника питания и через корректирующий конденсатор (10) подключен к неинвертирующему токовому выходу (7) устройства.

2. Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами по п.1, отличающийся тем, что первый (2) выходной транзистор выполнен в виде составного транзистора, содержащего m₂≥1 параллельно включенных биполярных транзисторов.

3. Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий токовый выход (7) устройства соединен с эмиттером первого (11) дополнительного транзистора, база которого связана с источником вспомогательного напряжения (12), а коллектор соединен с дополнительным неинвертирующим токовым выходом (13) устройства, согласованным с первой (4) шиной источника питания.

4. Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами по п.3, отличающийся тем, что инвертирующий токовый выход (3) устройства соединен с эмиттером второго (16) дополнительного транзистора, база которого подключена к базе первого (11) дополнительного транзистора, а коллектор соединен с дополнительным инвертирующим токовым выходом (17) устройства.

5. Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами по п.4 или 2, отличающийся тем, что первый (11) дополнительный транзистор выполнен в виде m₂ параллельно включенных по эмиттерно-базовым переходам вспомогательных биполярных транзисторов, причем коллекторы m₂-1 вспомогательных биполярных транзисторов в структуре первого (11) дополнительного транзистора соединены с дополнительным неинвертирующим выходом (13) устройства, а коллектор m₂-го вспомогательного биполярного транзистора связан с первой (4) шиной источника питания, где m₂ - количество параллельно включенных биполярных транзисторов в структуре первого (2) выходного транзистора.