КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ 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 классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходного транзистора [1-32].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, представленный в патенте US 6.825.723 fig. 6. Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 входные транзистора, эмиттеры которых объединены и подключены к первой шине 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, а базы связаны с соответствующими первым 5 и вторым 6 входами устройства, первый 7 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через первый 9 двухполюсник нагрузки и соединен с первым 10 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11, второй 12 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через второй 13 двухполюсник нагрузки и соединен со вторым 14 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору второго 2 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11.

Существенный недостаток известного КУ, фиг.1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1-32], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в по уровню - 3 дБ). Это обусловлено отрицательным влиянием на f_в паразитной емкости на подложку (С_п) и паразитной емкости коллектор - база С_кб его выходных транзисторов (7, 8). Численные значения С_п и С_кб для ряда 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.

Дополнительная задача - повышение коэффициента усиления в диапазоне средних частот.

Поставленные задачи решаются тем, что в каскодном усилителе, фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзистора, эмиттеры которых объединены и подключены к первой шине 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, а базы связаны с соответствующими первым 5 и вторым 6 входами устройства, первый 7 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через первый 9 двухполюсник нагрузки и соединен с первым 10 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11, второй 12 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через второй 13 двухполюсник нагрузки и соединен со вторым 14 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору второго 2 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 7 выходного транзистора связана с источником напряжения смещения 11 через первый 15 дополнительный резистор, база второго 12 выходного транзистора связана с источником напряжения смещения 11 через второй 16 дополнительный резистор, база первого 7 выходного транзистора соединена с базой первого 17 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго 12 выходного транзистора, база второго 12 выходного транзистора соединена с базой второго 18 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого 7 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 17 и второго 18 дополнительных транзисторов связаны со второй 8 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 19.

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 ОАО НЛП «Пульсар».

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ, фиг. 3, при разных значениях сопротивлений первого 15 и второго 16 дополнительных резисторов (в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 2 раза.

На фиг. 5 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при более высоких значениях сопротивлений первого 15 и второго 16 дополнительных резисторов. Из данных графиков следует, что в данном режиме коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ может достигать 60-100 дБ. Однако при более высоких значениях сопротивлений первого 15 и второго 16 дополнительных резисторов уменьшается верхняя граничная частота КУ (f_в по уровню - 3 дБ).

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот, фиг. 2, содержит первый 1 и второй 2 входные транзистора, эмиттеры которых объединены и подключены к первой шине 3 источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 4, а базы связаны с соответствующими первым 5 и вторым 6 входами устройства, первый 7 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через первый 9 двухполюсник нагрузки и соединен с первым 10 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11, второй 12 выходной транзистор, коллектор которого связан со второй 8 шиной источника питания через второй 13 двухполюсник нагрузки и соединен со вторым 14 выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору второго 2 входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения 11. База первого 7 выходного транзистора связана с источником напряжения смещения 11 через первый 15 дополнительный резистор, база второго 12 выходного транзистора связана с источником напряжения смещения 11 через второй 16 дополнительный резистор, база первого 7 выходного транзистора соединена с базой первого 17 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго 12 выходного транзистора, база второго 12 выходного транзистора соединена с базой второго 18 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого 7 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 17 и второго 18 дополнительных транзисторов связаны со второй 8 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 19. На фиг. 2 конденсаторы 21 и 22 моделируют влияние на работу схемы паразитных емкостей на подложку транзисторов 7 и 12, а также емкостей нагрузки. Паразитные конденсаторы 23 и 24 учитывают влияние на работу схемы паразитной емкости коллектор - база соответствующих первого 7 и второго 12 выходных транзисторов. Рассмотрим работу КУ, фиг. 2.

В области высоких частот, на амплитудно-частотную характеристику КУ, фиг. 2, для первого 10 выхода начинают влиять паразитные емкости 21 и 23 в цепи коллектора первого 7 выходного транзистора. При этом для схемы, фиг. 2, справедливы следующие уравнения:

где $${\dot{I}}_{ск7}$$ - комплекс тока через паразитный конденсатор 23;

- комплекс напряжения на выходе устройства 10;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 21 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 23 на частоте сигнала ω.

Комплекс тока $${\dot{I}}_{ск7}$$ создает на первом 15 дополнительном резисторе напряжение:

которое преобразуется в ток , где g_m17-18 - проводимость передачи каскада на транзисторах 17, 18, g_ml7-18 ≈ (r_э18+r_э17)^-1, r_э17, r_э2 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 17 и 18.

Если параметры емкостей конденсаторов 21, 23 удовлетворяют уравнению:

то в выходной цепи устройства 10 обеспечивается взаимная компенсация токов $${\dot{I}}_{21}$$ , $${\dot{I}}_{ск7}$$ и (в уравнении 3: Ι₀ - параметр дополнительного токостабилизирующего двухполюсника 19, φ_т=26 мВ - температурный потенциал; α₇≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 7).

В конечном итоге при выполнении условия (3) диапазон рабочих частот КУ, фиг. 2, расширяется. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования фиг. 4.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение каскодного усилителя характеризуется более высоким диапазоном рабочих частот.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент США №3.660.773

2. Патент Франции №1.484.340

3. Патент ФРГ №1.214.733

4. Патент Англии №1.520.085

5. Патент США №3.482.177

6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т

7. Патент ФРГ №1.537.590

8. Патент Франции №1.548.008

9. Патент ФРГ №2.418.455

10. Патент США №5.185.582 fig. 1

11. Патент США №4.151.483 fig.2, fig. 3

12. Патент Японии JP 61264806

13. Патент США №3.660.773

14. А. СВ. СССР №427451

15. Патент США №6.825.723 fig. 3

16. Патент США №4.151.484

17. Патент США №3.882.410 fig. 3

18. Патентная заявка WO 2004/030207

19. Патент США №4.021.749 fig. 2

20. Патент США №3.693.108 fig. 9

21. Патент США №7.113.043 fig. 2

22. Патентная заявка США 2006/0033562

23. Патентная заявка США 2006/0132242

24. Патентная заявка США 2006/0119435

25. Патентная заявка США 2005/0248408

26. Патент США №6.204.728

27. Патент США №6.278.329

28. Патентная заявка США 2005/0225397

29. Патент США №5.451.906

30. Патент США №7.098.743 fig. 1

31. Патент Англии GB №1431481 fig

32. Патент США №6.515.547 fig. 2

Изобретение относится к области усилителей аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение значения верхней граничной частоты без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору второго входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения. База первого выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через первый дополнительный резистор, база второго выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через второй дополнительный резистор, база первого выходного транзистора соединена с базой первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго выходного транзистора, база второго выходного транзистора соединена с базой второго дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого выходного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 5 ил.

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и подключены к первой шине (3) источника питания через токостабилизирующий двухполюсник (4), а базы связаны с соответствующими первым (5) и вторым (6) входами устройства, первый (7) выходной транзистор, коллектор которого связан со второй (8) шиной источника питания через первый (9) двухполюсник нагрузки и соединен с первым (10) выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения (11), второй (12) выходной транзистор, коллектор которого связан со второй (8) шиной источника питания через второй (13) двухполюсник нагрузки и соединен со вторым (14) выходом устройства, эмиттер подключен к коллектору второго (2) входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения (11), отличающийся тем, что база первого (7) выходного транзистора связана с источником напряжения смещения (11) через первый (15) дополнительный резистор, база второго (12) выходного транзистора связана с источником напряжения смещения (11) через второй (16) дополнительный резистор, база первого (7) выходного транзистора соединена с базой первого (17) дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго (12) выходного транзистора, база второго (12) выходного транзистора соединена с базой второго (18) дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого (7) выходного транзистора, причем эмиттеры первого (17) и второго (18) дополнительных транзисторов связаны со второй (8) шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (19).