СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 2014 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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной нагрузкой (фиг.1), включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1-15]. Активную часть КУ, содержащую входной 1 и выходной 4 транзисторы, можно рассматривать как составной транзистор (СТ), который может включаться в различные электронные схемы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является составной транзистор в схеме КУ (фиг.1) по патенту US 5.304.946, fig. 14, который показан также на чертеже фиг.2. Он содержит входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора.

Существенный недостаток известного СТ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-15], состоит в том, что он обладает сравнительно большими выходной С_вых и входной С_вх паразитными емкостями, что отрицательно сказывается на диапазоне его рабочих частот в структуре различных усилителей.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении входной и выходной емкостей составного транзистора и, как следствие, повышение в 8-10 раз верхней граничной частоты различных усилителей на базе заявляемого СТ.

Поставленная задача решается тем, что в составном транзисторе фиг.1, содержащем входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 6, статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока 7, включенным между первой 8 шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора 6, причем база дополнительного транзистора 6 соединена с базой входного транзистора 1, его коллектор связан с эмиттером входного транзистора 1, а эмиттер подключен к базе выходного транзистора 4.

Схема каскодного усилителя на основе составного транзистора-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена отдельно схема СТ-прототипа.

На чертеже фиг.3 показан заявляемый СТ в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 представлена схема каскодного усилителя на основе СТ фиг.3, соответствующая п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.5 представлена схема каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.2 (напряжение питания Е_п=±5 В, транзисторы TN50S ФГУП НПП «Пульсар»).

На чертеже фиг.6 приведена схема каскодного усилителя на базе предлагаемого СТ фиг.3 (Е_п=±5 В, транзисторы TN50S, TP50S ФГУП НПП «Пульсар»).

На чертеже фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты для схемы каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.5 и КУ с предлагаемым СТ фиг.3 (транзисторы TN50S, TP50S ФГУП НПП «Пульсар). Данный график показывает, что заявляемое устройство имеет в 7-8 раз лучшее значение верхней граничной частоты f_B.

На чертеже фиг.8 представлена зависимость комплексного входного сопротивления от частоты для схем каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.2 и усилителя с предлагаемым СТ фиг.3 (транзисторы TN50S, ТР508 ФГУП НПП «Пульсар). Данный график показывает, что входная емкость предлагаемого устройства в 3-4 раза меньше, чем в известном СТ.

На чертеже фиг.9 показана схема каскодного усилителя на основе заявляемого СТ, которая имеет близкий к нулю входной статический ток.

На чертеже фиг.10 приведена зависимость входного статического тока сравниваемых схем фиг.5 и фиг.9 от температуры.

Данные графики показывают, что предлагаемая схема имеет значительно меньший входной статический ток, что приближает ее свойства по этому параметру к полевым транзисторам.

Составной транзистор фиг.3 содержит входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 1. В схему введен дополнительный транзистор 6, статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока 7, включенным между первой 8 шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора 6, причем база дополнительного транзистора 6 соединена с базой входного транзистора 1, его коллектор связан с эмиттером входного транзистора 1, а эмиттер подключен к базе выходного транзистора 4.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, база входного транзистора 1 соединена с источником входного напряжения 9, между первой 8 шиной источника питания и коллектором выходного транзистора 4 включен резистор коллекторной нагрузки 10, а эмиттер входного транзистора 1 соединен по переменному току со второй 11 шиной источника питания через резистор местной обратной связи 12, а также соединен со второй 11 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 13. Конденсатор 14 выполняет классическую роль разделительной емкости.

Рассмотрим работу ДУ фиг.3 в схеме фиг.4.

Приращение напряжения на коллекторе «К» (узел 5) составного транзистора в схеме фиг.4 вызывает изменение тока i_c4 через емкость коллектор-база С_к4 выходного транзистора 4. Данный ток поступает в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 6:

$$i_{к6}={\alpha }_6{i}_{c4},\left(1\right)$$

где α_i≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-гo транзистора.

В эмиттерной цепи транзистора 1 при сопротивлении конденсатора 14 значительно меньшем, чем R₁₂, происходит перераспределение тока α₆i_c4 между эмиттером транзистора 1 и резистором местной обратной связи 12:

$$i_{эl}=\frac{R_{12}}{R_{12}+r_{эl}}{i}_{к6}={\alpha }_6{К}_d{i}_{c4},\left(2\right)$$

где $$K_d=\frac{R_{12}}{R_{12}+r_{эl}}$$ - коэффициент деления тока i_к6 между r_эl и R₁₂;

r_эl≈20÷30 Ом - сопротивление эмиттерного р-n перехода транзистора 1.

Таким образом, коллекторный ток транзистора 4 и, следовательно, суммарный ток коллектора составного транзистора

i_к4=α₆α₁α₄K_di_c4, (3)

i_кΣ=i_c4-i_к4=i_c4(1-α₆α₁α₄K_d). (4)

Из (4) следует, что эффективная выходная емкость предлагаемого СТ уменьшается

C_эф.к4=(1-α₆α₁α₄K_d)=C_к4(1-T_i), (5)

где T_i=α₆α₁α₄K_d≈1.

Как следствие, уменьшается эквивалентная постоянная времени коллекторной цепи нагрузки СТ (τ_экв) и увеличивается верхняя граничная частота КУ фиг.4 f_в:

τ_экв=C_к4R₁₀·(1-T_i), (6)

$$f_{в}=\frac{f_{в}^{\ast }}{1-T_i}>>f_{в}^{\ast },\left(7\right)$$

где $$f_{в}^{\ast }$$ - верхняя граничная частота в КУ с составным транзистором-прототипом фиг.1.

Данные теоретические выводы подтверждают результаты моделирования, показанные на чертеже фиг.7, - верхняя граничная частота f_в увеличивается в 7-8 раз (для техпроцесса ФГУП НПП «Пульсар»).

Вторая замечательная особенность заявляемого СТ - компенсация влияния паразитных емкостей коллектор-база C_кl и С_к6 транзисторов 1 и 6 на входную комплексную проводимость схемы. Действительно эквивалентная входная емкость КУ в схеме фиг.4:

С_вх=С_к1(1-К_у1)+С_к6(1-К_у2)<<С_к1, (8)

где $${К}_{уl}=\frac{u_{э4}}{u_{вх}}\approx 1$$ - коэффициент передачи напряжения u_вх в эмиттер транзистора 4;

$$К{}_{у2}=\frac{u_{эl}}{u_{вх}}\approx 1$$ - коэффициент передачи напряжения u_вх в эмиттер транзистора 1.

Третья замечательная особенность заявляемого СТ - малый входной статический ток, который может быть близок к аналогичному параметру полевых транзисторов:

$$I_{вх}=I_{б1}-I_{б6}=\frac{I_{эl}}{{\beta }_l}-\frac{I_7}{{\beta }_6},\left(9\right)$$

где I_бl, I_б6 - статические токи базы транзисторов 1 и 6;

β_l,β₆ - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 1 и 6.

Из (9) следует, что за счет соответствующего выбора статического тока источника опорного тока 7 можно получить нулевой входной ток в схеме фиг.4 и его относительно слабую температурную зависимость (см. фиг.10).

Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.10, из которых следует, что температурные приращения входного тока заявляемого СТ в диапазоне температур 60÷80°С в 9-10 раз меньше, чем в схеме СТ-прототипа.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение СТ характеризуется более высокими значениями верхней граничной частоты, меньшей величиной входной емкости, меньшим уровнем входного статического тока и его температурного дрейфа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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 fig.9

8. Патент США №6.278.329

9. Патентная заявка США 2005/0225397

10. Патент США №5.451.906

11. Патент Англии GB №1431481 fig.2

12. Патент US №3.693.108 fig. 9

13. Патент US №4.021.749 fig. 2

14. Патентная заявка US 2005/0225397

15. Патент US №6.278.329.

Изобретение относится к составному транзистору, который может быть использован в качестве устройства усиления аналоговых сигналов и в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения. Технический результат заключается в повышении в 8÷10 раз верхней граничной частоты различных усилителей за счет уменьшение входной и выходной емкостей используемого в них составного транзистора. Составной транзистор содержит входной транзистор (1), база которого является базой (2), а эмиттер - эмиттером (3) составного транзистора, выходной транзистор (4), коллектор которого является коллектором (5) составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (1), при этом в схему введен дополнительный транзистор (6), статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока (7), включенным между первой (8) шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора (6), причем база дополнительного транзистора (6) соединена с базой входного транзистора (1), его коллектор связан с эмиттером входного транзистора (1), а эмиттер подключен к базе выходного транзистора (4). 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Составной транзистор, содержащий входной транзистор (1), база которого является базой (2), а эмиттер - эмиттером (3) составного транзистора, выходной транзистор (4), коллектор которого является коллектором (5) составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора (1), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (6), статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока (7), включенным между первой (8) шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора (6), причем база дополнительного транзистора (6) соединена с базой входного транзистора (1), его коллектор связан с эмиттером входного транзистора (1), а эмиттер подключен к базе выходного транзистора (4).

2. Составной транзистор по п.1, отличающийся тем, что база входного транзистора (1) соединена с источником входного напряжения (9), между первой (8) шиной источника питания и коллектором выходного транзистора (4) включен резистор коллекторной нагрузки (10), а эмиттер входного транзистора (1) соединен по переменному току со второй (11) шиной источника питания через резистор местной обратной связи (12), а также соединен со второй (11) шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (13).