ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА Российский патент 2013 года по МПК H03G3/30 

Описание патента на изобретение RU2497271C1

Область техники

Изобретение относится к области радиотехники и электроники. В частности, к интегральным микросхемам на основе совмещенной гетероструктурной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии.

Уровень техники

Проблема стабилизации статического режима работы усилителя состоит в том, что в реальных условиях тепловая мощность, выделяемая в усилительном каскаде, и температура выходного транзистора зависят от режима работы. Рабочая температура гетероструктурных биполярных транзисторов в составе одной монолитной микросхемы может отличаться на 10-20 градусов [1]. В критических случаях возможен тепловой пробой мощных биполярных транзисторов. С увеличением температуры уменьшаются напряжение база-эмиттер и коэффициент усиления базового тока. В диапазоне рабочих температур коэффициент усиления тока уменьшается с увеличением температуры с коэффициентом пропорциональности 0,3-0,5%/°К. А напряжение база-эмиттер при заданном токе эмиттера уменьшается с коэффициентом 2 мВ/°К [2]. При низких температурах уменьшение коллекторного тока с ростом напряжения коллектор-эмиттер иногда приводит к возбуждению каскада и потере усилительной способности прибора.

В известных технических решениях (RU 2193272 С1 (2002 г.), RU 60816 U1 (2006 г.), RU 2421882 С1 (2011 г.), RU 2419198 С1 (2011 г.)) устройство стабилизации тока коллектора компенсирует изменение тока, вызванное изменением средней температуры кристалла микросхемы. Изменение тока, вызванное локальным разогревом транзисторов, не компенсируется.

Наиболее близким техническим решением является усилитель высокочастотных сигналов, описанный в патенте РФ 2116693 С1 (1996 г.). Прототип содержит опорный каскад, формирующий напряжение база-эмиттер, зависящее от средней температуры кристалла; управляющий каскад, задающий ток базы опорного и выходного транзисторов; каскад частотной коррекции, препятствующий проникновению входного высокочастотного сигнала в опорный каскад; выходной каскад, режим работы которого определяется устройством стабилизации. Локальное изменение напряжения база-эмиттер выходного транзистора компенсируется частично за счет ограничительного резистора, изменение коэффициента усиления тока не компенсируется. Стабилизация коллекторного тока в устройстве прототипа неполная. Ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды и напряжения питания.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является предотвращение возбуждения усилителя и обеспечение стабильности коэффициента усиления. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение вариаций коллекторного тока выходного гетероструктурного биполярного транзистора при изменении рабочей температуры усилителя, сопротивления нагрузки и напряжения питания.

Согласно изобретению, этот технический результат достигается за счет того, что в высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора (чертеж), включающий выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2), устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4), третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, формирующий составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10), в устройство стабилизации тока коллектора (8) введены дополнительно четвертый биполярный транзистор (14), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), коллектором с шиной питания (4), а эмиттером с делителем тока на основе первого (15) и второго (16) резисторов, причем второй электрод второго резистора (16) соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора (17), эмиттер которого подключен к заземленной шине (11), а второй электрод первого резистора (15) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора (2) пропорционально разности температур между первым (2) и пятым (17) транзисторами.

«Токовое зеркало» (13) построено на первом (18) и втором (19) Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания (4), сток и затвор первого Р-МОП транзистора (18), затвор второго (19) Р-МОП транзистора соединены с входом «токового зеркала» (13), а сток второго (19) Р-МОП транзистора соединен с выходом «токового зеркала».

Краткое описание чертежей

На фигуре представлена схема высокочастотного усилителя с устройством стабилизации тока коллектора. Показаны выходной каскад и устройство стабилизации тока коллектора выходного биполярного транзистора с «токовым зеркалом» и дополнительным опорным каскадом.

Осуществление изобретения

Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора (фиг.) включает выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2); устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4); третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, устанавливающий составляющую ток коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10), причем эта составляющая тока коллектора уменьшается при саморазогреве выходного транзистора.

В устройство стабилизации тока коллектора (8) дополнительно введены: четвертый биполярный транзистор (14), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), коллектором с шиной питания (4), а эмиттером с делителем тока на основе первого (15) и второго (16) резисторов, причем второй электрод второго резистора (16) соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора (17), эмиттер которого подключен к заземленной шине (11), а второй электрод первого резистора (15) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора (2) пропорционально разности температур между первым (2) и пятым (17) транзисторами, которая возникает вследствие саморазогрева выходного транзистора.

«Токовое зеркало» (13) построено на первом (18) и втором (19) Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания (4), сток и затвор первого Р-МОП транзистора (18), затвор второго (19) Р-МОП транзистора соединены с входом «токового зеркала» (13), а сток второго (19) Р-МОП транзистора соединен с выходом «токового зеркала». Отсутствие входных токов у МОП-транзисторов улучшает точность формирования выходного тока «токового зеркала».

Технический результат, представляющий собой стабилизацию коллекторного тока выходного гетероструктурного биполярного транзистора высокочастотного усилителя в условиях изменения температуры кристалла микросхемы и локального саморазогрева выходного транзистора, достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует первую составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - вторую составляющую, пропорционально разнице напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов.

С увеличением температуры выходного транзистора понижается напряжение база-эмиттер и увеличивается вторая составляющая тока базы, компенсируя тем самым уменьшение коэффициента усиления тока.

Отличительный признак технического решения состоит в разделении опорного тока на две составляющие: первая составляющая учитывает условия работы, одинаковые для опорного и выходного транзисторов; вторая составляющая учитывает разность температур опорного и выходного транзисторов, увеличивая входной ток с уменьшением коэффициента усиления тока усилительного транзистора.

Реализуемость изобретения подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы Cadence Microsystems и аттестованных моделей элементов (Tower Semiconductors).

[1] J.D. Cressler, Silicon Heterostracture Handbook, Taylor and Francis, 2006, pp.539-549.

[2] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн./Пер. с. англ. - 2-е пер. и доп.изд. - М.: Мир, 1984. - кн. 1.

Похожие патенты RU2497271C1

название год авторы номер документа
ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА 2012
  • Адамов Юрий Федорович
  • Верховцева Алевтина Викторовна
  • Куроедова Наталья Васильевна
  • Стемпковский Александр Леонидович
RU2509407C1
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ КОРРЕКЦИИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2011
  • Адамов Юрий Федорович
  • Горшкова Наталья Михайловна
  • Стемпковский Александр Леонидович
RU2462813C1
ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2015
  • Адамов Андрей Анатольевич
  • Миронов Николай Юрьевич
  • Харин Вадим Анатольевич
  • Хромов Сергей Сергеевич
RU2577183C1
ТОКОВОЕ ЗЕРКАЛО С ПОНИЖЕННЫМ ВЫХОДНЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ 2013
  • Адамов Денис Юрьевич
  • Сомов Олег Анатольевич
RU2543313C2
ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Крутчинский Сергей Георгиевич
  • Будяков Петр Сергеевич
RU2469464C1
Арсенид-галлиевый операционный усилитель на p-n-p биполярных и полевых транзисторах с управляющим p-n переходом 2023
  • Кузнецов Дмитрий Владимирович
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Фролов Илья Владимирович
RU2813281C1
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Пахомов Илья Викторович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2589323C1
ПРЕЦИЗИОННЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННО СТОЙКОГО БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 2014
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бутырлагин Николай Владимирович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2568384C1
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВОЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА ОСНОВЕ "ПЕРЕГНУТОГО" КАСКОДА 2015
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Дворников Олег Владимирович
  • Бутырлагин Николай Владимирович
RU2604684C1
Безрезистивный арсенид-галлиевый операционный усилитель с малым уровнем систематической составляющей напряжения смещения нуля 2023
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Фролов Илья Владимирович
  • Сергеенко Марсель Алексеевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2814681C1

Реферат патента 2013 года ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Изобретение относится к области радиотехники и электроники. В частности к интегральным микросхемам на основе совмещенной гетероструктурной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии. Технический результат состоит в уменьшении вариаций коллекторного тока выходного транзистора при изменении рабочей температуры усилителя, сопротивления нагрузки и напряжения питания. Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - составляющую, зависящую от разницы напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов. Для этого в устройство стабилизации тока коллектора выходного гетероструктурного биполярного транзистора введены дополнительно эмиттерный повторитель, второй опорный транзистор и два токораспределительных резистора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 497 271 C1

1. Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора, включающий выходной каскад на основе первого биполярного транзистора с общим эмиттером и реактивную нагрузку, включенную между коллектором первого биполярного транзистора и шиной положительного питания, причем выход усилителя подключен к коллектору первого транзистора, а вход усилителя через разделительный конденсатор подключен к базе первого биполярного транзистора, устройство стабилизации тока коллектора первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор, соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником между заземленной шиной и шиной положительного питания, третий транзистор, соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора, эмиттером с базой второго опорного транзистора, а коллектором с входом «токового зеркала», выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора и образует основной канал управления, формирующий составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора, пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника, отличающийся тем, что в устройство стабилизации тока коллектора введены дополнительно четвертый биполярный транзистор, соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора, коллектором с шиной питания, а эмиттером с делителем тока на основе первого и второго резисторов, причем второй электрод второго резистора соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине питания, а второй электрод первого резистора соединен с базой первого биполярного транзистора, и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора пропорционально разности температур между первым и пятым транзисторами.

2. Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора по п.1, отличающийся тем, что «токовое зеркало» построено на первом и втором Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания, сток и затвор первого Р-МОП транзистора, затвор второго Р-МОП транзистора соединены с входом «токового зеркала», а сток второго Р-МОП транзистора соединен с выходом «токового зеркала».

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2497271C1

УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ РЕЖИМА ТРАНЗИСТОРА 1996
  • Сулайманов Р.Т.
RU2116693C1
ДВУХКАСКАДНЫЙ ВЧ-УСИЛИТЕЛЬ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Гришков Виталий Николаевич
RU2421882C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ АКТИВНОЙ РАБОТЫ 2005
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Алексей Сергеевич
  • Крюков Сергей Владимирович
RU2292635C1
US 6909327 B2, 21.06.2005.

RU 2 497 271 C1

Авторы

Адамов Денис Юрьевич

Адамов Юрий Федорович

Сомов Олег Анатольевич

Даты

2013-10-27Публикация

2012-08-02Подача