КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ Российский патент 2015 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 (или индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходного транзистора - каскада с общей базой [1-21].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ фиг. 1 по патенту Испании ES 2.079.397, fig. 9.

Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других патентах [1-21], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в по уровню -3 дБ). Это обусловлено отрицательным влиянием паразитных емкостей на подложку (C_п) выходного транзистора и его емкостью коллектор-база (C_кб). Численные значения C_п и C_кб 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 без ухудшения коэффициента усиления по напряжению.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг. 1, содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, источник напряжения смещения 3, подключенный к базе выходного транзистора 2, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и выходом устройства 6, который связан с коллектором выходного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом дополнительного усилителя тока 7 через дополнительный корректирующий конденсатор 8, причем выход дополнительного усилителя тока 7 подключен к эмиттеру выходного транзистора 2.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг. 1. Схема фиг. 1б имеет типовое построение преобразователя «напряжение-ток» 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с пп. 1 и 2 формулы изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ОАО «НИИ Пульсар» с конкретным выполнением основных функциональных узлов.

На чертеже фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора C_к (конденсатора 8 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 5 раз.

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, источник напряжения смещения 3, подключенный к базе выходного транзистора 2, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и выходом устройства 6, который связан с коллектором выходного транзистора 2. Выход устройства 6 соединен со входом дополнительного усилителя тока 7 через дополнительный корректирующий конденсатор 8, причем выход дополнительного усилителя тока 7 подключен к эмиттеру выходного транзистора 2. Паразитный конденсатор 9 моделирует влияние на f_в паразитной емкости на подложку транзистора 2, а также емкости нагрузки, а паразитный конденсатор 10 - емкости коллектор-база транзистора 2.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, дополнительный усилитель тока 7 имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току больше единицы.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот, на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинает влиять паразитная емкость на подложку 9 в цепи коллектора транзистора 2 и емкость 10 коллектор-база транзистора 2, через которые протекают составляющие паразитных токов:

где $${\dot{I}}_9$$ , $${\dot{I}}_{10}$$ - комплексы токов через паразитные конденсаторы 9 и 10;

- комплекс напряжения на выходе устройства 6;

$${\dot{Z}}_9=\frac{1}{j\omega C_9}$$ - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 9 на частоте сигнала ω;

$${\dot{Z}}_{10}=\frac{1}{j\omega C_{10}}$$ - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 10 на частоте сигнала ω.

Напряжение $${\dot{U}}_{вых}$$ создает в дополнительном корректирующем конденсаторе 8 комплекс тока

где $${\dot{Z}}_8=\frac{1}{j\omega C_8}$$ - комплекс сопротивления дополнительного корректирующего конденсатора 8.

Приращение тока через конденсатор 8 передается в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 2. Поэтому в коллекторной цепи транзистора 2 обеспечивается взаимная компенсация суммы токов $${\dot{I}}_9+{\dot{I}}_{10}$$ и тока коллектора транзистора 2: $${\dot{I}}_{к2}=K_i{\alpha }_2{\dot{I}}_{ск}$$ , где α₂ - коэффициент усиления по току эмиттера выходного транзистора 2, Ki - коэффициент усиления по току дополнительного усилителя тока 7 (K_i≥1). Действительно, в достаточно широком диапазоне частот в схеме фиг. 2 можно обеспечить равенство

Поэтому необходимая для повышения f_в емкость дополнительного корректирующего конденсатора 8 рассчитывается по формуле

где K_iα₂>1.

В конечном итоге при выполнении условия (4) 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.

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 №7.113.043 fig. 2

9. Патентная заявка США 2006/0033562

10. Патентная заявка США 2006/0132242

11. Патентная заявка США 2006/0119435

12. Патентная заявка США 2005/0248408

13. Патент США №6.204.728

14. Патент США №6.278.329

15. Патентная заявка США 2005/0225397

16. Патент США №5.451.906

17. Патент США №7.098.743 fig. 1

18. Патент Англии GB №1431481 fig. 2

19. Патент США №6.515.547 fig. 2

20. Патентная заявка US 2010/0283543 fig. 1

21. Патент ES 2.079.397, fig. 9.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот каскодного усилителя без ухудшения коэффициента усиления по напряжению. Устройство содержит входной преобразователь «напряжение-ток», токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора, источник напряжения смещения, подключенный к базе выходного транзистора, двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между шиной источника питания и выходом устройства, который связан с коллектором выходного транзистора. Выход устройства соединен со входом дополнительного усилителя тока через дополнительный корректирующий конденсатор, причем выход дополнительного усилителя тока подключен к эмиттеру выходного транзистора. 5 ил.

1. Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора (2), источник напряжения смещения (3), подключенный к базе выходного транзистора (2), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и выходом устройства (6), который связан с коллектором выходного транзистора (2), отличающийся тем, что выход устройства (6) соединен со входом дополнительного усилителя тока (7) через дополнительный корректирующий конденсатор (8), причем выход дополнительного усилителя тока (7) подключен к эмиттеру выходного транзистора (2).

2. Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный усилитель тока (7) имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току больше единицы.