КАСКОДНЫЙ 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 классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (истоковую) цепь выходного транзистора [1-22]. Для некоторого повышения верхней граничной частоты таких КУ используются специальные цепи компенсации емкости коллектор-база С_кб выходного транзистора [1-2].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, рис. 11а, представленный в статье Прокопенко Н.Н., Будякова А.С., Ковбасюка Н.В., Крутчинского С.Г., Савченко Е.М. Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2006. С. 223-228. Он содержит (фиг. 1) входной преобразователь напряжение-ток 1, токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора 2, неинвертирующий повторитель тока 3, токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора 2, а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора 2, выход устройства 4, соединенный с коллектором выходного транзистора 2, резистор коллекторной нагрузки 5, включенный между шиной источника питания 6 и коллектором выходного транзистора 2.

Существенный недостаток известного КУ, фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1, 2], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в). Это обусловлено отрицательным влиянием паразитной емкости на подложку (С_п) его выходного транзистора, которая в КУ-прототипе не компенсируется. Численные значения С_п 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 каскодном усилителе фиг. 1, содержащем входной преобразователь напряжение-ток 1, токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора 2, неинвертирующий повторитель тока 3, токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора 2, а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора 2, выход устройства 4, соединенный с коллектором выходного транзистора 2, резистор коллекторной нагрузки 5, включенный между шиной источника питания 6 и коллектором выходного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный повторитель напряжения 7, вход которого соединен с выходом устройства 4, а выход связан с базой выходного транзистора 2 через дополнительный корректирующий конденсатор 8.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг. 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов XFab с конкретным выполнением основных функциональных узлов.

На чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению широкополосного дифференциального усилителя на базе КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора C_var (конденсатора 8 в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 2 раза (до 89 ГГц).

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной преобразователь напряжение-ток 1, токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора 2, неинвертирующий повторитель тока 3, токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора 2, а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора 2, выход устройства 4, соединенный с коллектором выходного транзистора 2, резистор коллекторной нагрузки 5, включенный между шиной источника питания 6 и коллектором выходного транзистора 2. В схему введен дополнительный повторитель напряжения 7, вход которого соединен с выходом устройства 4, а выход связан с базой выходного транзистора 2 через дополнительный корректирующий конденсатор 8. Статический режим неинвертирующего повторителя тока 3 может устанавливаться специальным источником напряжения смещения 9. Первый 10 паразитный конденсатор в схеме фиг. 2 моделирует влияние на работу КУ емкости на подложку транзистора 2, входной емкости дополнительного повторителя напряжения 7 и паразитной емкости нагрузки. Второй 11 паразитный конденсатор моделирует влияние на работу схемы КУ емкости коллектор-база транзистора 2.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости первого 10 и второго 11 паразитных конденсаторов в цепи коллектора транзистора 2. При этом для схемы фиг. 2 справедливо следующее уравнение:

где $${\dot{I}}_c$$ - комплекс тока через второй 11 паразитный конденсатор;

$${\dot{U}}_{вых}$$ - комплекс напряжения на выходе устройства 4;

$${\dot{Z}}_{11}=\frac{1}{j\omega C_{11}}$$ - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 11 на частоте сигнала ω.

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

где $${\dot{Z}}_8=\frac{1}{j\omega C_8}$$ - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 8 на частоте сигнала ω;

К_у - коэффициент усиления по напряжению дополнительного повторителя напряжения 7.

Если параметры емкостей конденсаторов 8, 10 и 11 удовлетворяют уравнению:

то в выходной цепи устройства 4 обеспечивается взаимная компенсация токов $${\dot{I}}_{п}$$ , $${\dot{I}}_c$$ и $${\dot{I}}_{кор}$$ (в уравнении 3: α₂≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2; K_i - коэффициент усиления по току неинвертирующего повторителя тока 3).

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.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Compensation Methods of Basic Transistor Output Capacitance Components in Analog Integrated Circuits / N.N. Prokopenko, S.G. Krutchinsky, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, N.V. Kovbasjuk // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC′06. - Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, - pp. 44-49, рис. 11a

2. Метод собственной компенсации импедансов пассивной коллекторной нагрузки в широкополосных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, А.И. Серебряков // Успехи современной радиоэлектроники: Изд-во «Радиотехника». - №9. - 2011. - С. 71-76, рис. 1

3. Патент US 5.502.420

4. Патент US 5.510.745 fig. 5а, 54, 56, 59, 61, 64, 66

5. Патент US 6.392.492 fig. 1

6. Патент US 5.914.640 fig. 2

7. Патент US 4.342.967 (ПТ) fig. 1

8. Патент US 6.825.723 fig. 3

9. Заявка на патент US 2006/0248408

10. Патент US 7.098.743 fig. 4е

11. Патент ES 2.079.397 fig. 9

12. Патент US 7.023.281 fig. 2b

13. Заявка на патент US 2005/0248408

14. 3аявка на патент US 2005/0225397 fig. 3

15. Патент US 7.113.043 fig. 2

16. Патент US 7.098.743 fig. 4

17. Патент US 6.278.329

18. Патент US 6.204.728 fig. 4a

19. Патент US 5.451.906 fig. 2

20. Патент US 4.151.483 fig. 2

21. Патент US 4.021.749 fig. 2

22. Патент GB 1.431.481.

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). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Технический результат достигается за счет каскодного усилителя с расширенным частотным диапазоном, который содержит входной преобразователь напряжение-ток (1), токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора (2), неинвертирующий повторитель тока (3), токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора (2), а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора (2), выход устройства (4), соединенный с коллектором выходного транзистора (2), резистор коллекторной нагрузки (5), включенный между шиной источника питания (6) и коллектором выходного транзистора (2). В схему введен дополнительный повторитель напряжения (7), вход которого соединен с выходом устройства (4), а выход связан с базой выходного транзистора (2) через дополнительный корректирующий конденсатор (8). 4 ил.

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной преобразователь напряжение-ток (1), токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора (2), неинвертирующий повторитель тока (3), токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора (2), а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора (2), выход устройства (4), соединенный с коллектором выходного транзистора (2), резистор коллекторной нагрузки (5), включенный между шиной источника питания (6) и коллектором выходного транзистора (2), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный повторитель напряжения (7), вход которого соединен с выходом устройства (4), а выход связан с базой выходного транзистора (2) через дополнительный корректирующий конденсатор (8).