ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ Российский патент 2015 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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов, реализуемых по новым и перспективным технологиям).

В современной микроэлектронике находят широкое применение «перегнутые» каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходных транзисторов [1-11]. Однако верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению (f_в, по уровню - 3 дБ) таких «перегнутых» КУ оказывается во многих случаях недостаточно высокой. Это связано с отрицательным влиянием на f_в емкостей коллектор-база (C_кб) выходных транзисторов КУ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ, представленный в патенте US 4600893, фиг. 4. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15.

Существенный недостаток известного КУ фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1-11], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в). Численные значения f_в для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе КУ фиг. 1.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его f_в) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг. 1.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика заявляемого устройства при разных значениях коэффициента усиления по току K_i первого 16 и второго 17 токовых зеркал.

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15. В схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

В схеме фиг. 2 цепь нагрузки 10 выполнена на основе вспомогательных резисторов 18 и 19, роль которых могут выполнять так называемые активные нагрузки.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости коллектор-база первого 5 (C_кб.5) и второго 8 (c_кб.8) выходных транзисторов. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:

где - комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база C_кб.5 транзистора 5;

- комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база C_кб.8 транзистора 8;

, - комплексы напряжений на первом 12 и втором 14 выходах устройства;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора C_кб.5 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора C_кб.8 на частоте сигнала ω.

Ток передается через второе 17 токовое зеркало в эмиттерную (), а затем в коллекторную цепь транзистора 5 (I_к5). В результате в выходной цепи (узел 12) обеспечивается почти полная взаимная компенсация двух близких по величине, но противофазных по направлению емкостных токов:

где α₅≤1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5;

- комплекс напряжения на первом 12 выходе устройства;

K_i17 - коэффициент передачи по току второго 17 токового зеркала.

Как следствие, эквивалентная постоянная времени τ_в12, определяющая верхнюю граничную частоту ДУ фиг. 2 для первого 12 выхода устройства, уменьшается:

где R₁₈ - сопротивление вспомогательного резистора 18.

После преобразований (3) можно получить, что

Так как α₅≈1, K_i17=1, C_кб.8= C_кб.5, то из (4) следует, что в схеме фиг. 2 обеспечивается повышение верхней граничной частоты:

где - верхняя граничная частота ДУ-прототипа для первого 12 выхода.

Аналогично для второго 14 выхода устройства можно найти

где - верхняя граничная частота ДУ-прототипа для второго 14 выхода.

Результаты компьютерного моделирования подтверждают, что в заявляемой схеме фиг. 2 частота f_в12 увеличивается (в сравнении с прототипа) более чем на порядок.

Источники информации

1. Патент US №4600893, фиг. 5.

2. Патент US №4151484, фиг. 4.

3. Патент RU №2321158, фиг. 2.

4. Патент US №7583146.

5. Патент US №5966050, фиг. 4.

6. Патент US №4004245.

7. Патент RU №2349024, фиг. 1.

8. Патент US 5684419.

9. Патент US 4406990.

10. Патент EP 0144647.

11. Патент US №7605658, фиг. 4, фиг. 5.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его f_в) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами. В схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 4 ил.

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и связан со второй (6) шиной источника питания через первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, второй (8) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через второй (9) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания, цепь нагрузки (10), первый (11) вход которой соединен с коллектором первого (5) выходного транзистора и подключен к первому (12) выходу устройства, а второй вход (13) цепи нагрузки (10) соединен с коллектором второго (8) выходного транзистора и связан со вторым (14) выходом устройства, цепь смещения потенциалов (15), отличающийся тем, что в схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора.