ДВОЙНОЙ КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ Российский патент 2016 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 [1-20]. Для некоторого повышения верхней граничной частоты в таких КУ используются двойные каскоды [21-25].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, представленный в патентной заявке US 2014/0043102, фиг. 3. Он содержит (фиг. 1) входной транзистор 1, исток которого связан с первой 2 шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор 3 соединен со входом устройства 4 и через вспомогательный двухполюсник 5 связан с первым 6 источником напряжения смещения, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства 8 и через двухполюсник нагрузки 9 подключен ко второй 10 шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор 11 связан со вторым 12 источником напряжения смещения, второй 13 выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого 7 выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора 1, а затвор связан с третьим 14 источником напряжения смещения.

Существенный недостаток известного КУ, фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [21-25], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в). Это обусловлено отрицательным влиянием на f_в паразитной емкости затвор-сток (С_зс) его выходного транзистора. Численные значения С_зс для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, или устройств с повышенной выходной мощностью 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 его коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе, фиг. 1, содержащем входной транзистор 1, исток которого связан с первой 2 шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор 3 соединен со входом устройства 4 и через вспомогательный двухполюсник 5 связан с первым 6 источником напряжения смещения, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства 8 и через двухполюсник нагрузки 9 подключен ко второй 10 шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор 11 связан со вторым 12 источником напряжения смещения, второй 13 выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого 7 выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора 1, а затвор связан с третьим 14 источником напряжения смещения, предусмотрены новые элементы и связи: между затвором первого 7 выходного транзистора и стоком входного транзистора 1 включен корректирующий конденсатор 15.

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 Cadence на моделях интегральных транзисторов XFab.

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 с корректирующим конденсатором 15 (заявляемое устройство) и без корректирующего конденсатора 15 (прототип). Из данных графиков следует, что верхняя граничная частота заявляемого устройства расширяется в 1,6 раза.

На фиг. 5 показана схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде Cadence на моделях интегральных SiGe интегральных транзисторов.

На фиг. 6 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 5 с корректирующим конденсатором 15 (заявляемое устройство) и без корректирующего конденсатора 15 (прототип). Из данных графиков следует, что верхняя граничная частота заявляемого устройства расширяется в 1,6 раза.

Двойной каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот фиг. 2 содержит входной транзистор 1, исток которого связан с первой 2 шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор 3 соединен со входом устройства 4 и через вспомогательный двухполюсник 5 связан с первым 6 источником напряжения смещения, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства 8 и через двухполюсник нагрузки 9 подключен ко второй 10 шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор 11 связан со вторым 12 источником напряжения смещения, второй 13 выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого 7 выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора 1, а затвор связан с третьим 14 источником напряжения смещения. Между затвором первого 7 выходного транзистора и стоком входного транзистора 1 включен корректирующий конденсатор 15. Паразитный конденсатор 16 моделирует влияние на работу схемы КУ емкости сток-затвор транзистора 7.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот, на амплитудно-частотную характеристику КУ, фиг. 2, начинает влиять емкость C₁₆ паразитного конденсатора 16 в цепи стока транзистора 7. При этом для схемы фиг. 2 справедливо следующее уравнение:

где - комплекс тока через паразитный конденсатор 16;

- комплекс напряжения на выходе устройства 8;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 16 на частоте сигнала ω.

Если выбрать сопротивление вспомогательного резистора 11 значительно больше, чем входное сопротивление транзистора 13 по цепи истока, то ток стока транзистора 7

где α_i≈1 - коэффициент усиления по току истока i-го транзистора (7 и 13);

- составляющие тока в разных ветвях схемы фиг. 2.

Таким образом, в выходной цепи устройства 8 обеспечивается взаимная компенсация токов .

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

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

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент US 5.502.420.

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

3. Патент US 6.392.492, fig. 1.

4. Патент US 5.914.640, fig. 2.

5. Патент US 4.342.967, fig. 1.

6. Патент US 6.825.723, fig. 3.

7. Заявка на патент US 2006/0248408.

8. Патент US 7.098.743, fig. 4e.

9. Патент ES 2.079.397, fig. 9.

10. Патент US 7.023.281, fig. 2b.

11. Заявка на патент US 2005/0248408.

12. Заявка на патент US 2005/0225397, fig. 3.

13. Патент US 7.113.043, fig. 2.

14. Патент US 7.098.743, fig. 4.

15. Патент US 6.278.329.

16. Патент US 6.204.728, fig. 4a.

17. Патент US 5.451.906, fig. 2.

18. Патент US 4.151.483, fig. 2.

19. Патент US 4.021.749, fig. 2.

20. Патент GB 1.431.481.

21. Заявка на патент US 2014/0043102, fig. 3, 4.

22. Патент US 3.882.410, fig. 4, 5, 8.

23. Патент US 5.510.745, fig. 32.

24. Заявка на патент US 2006/0119435, fig. 3.

25. Патент US 4.021.749, fig. 6.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Двойной каскодный усилитель содержит: входной транзистор, исток которого связан с первой шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор соединен со входом устройства и через вспомогательный двухполюсник связан с первым источником напряжения смещения, первый выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства и через двухполюсник нагрузки подключен ко второй шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор связан со вторым источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора, а затвор связан с третьим источником напряжения смещения, причем между затвором первого выходного транзистора и стоком входного транзистора включен корректирующий конденсатор. 6 ил.

Двойной каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий входной транзистор (1), исток которого связан с первой (2) шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор (3) соединен со входом устройства (4) и через вспомогательный двухполюсник (5) связан с первым (6) источником напряжения смещения, первый (7) выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства (8) и через двухполюсник нагрузки (9) подключен ко второй (10) шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор (11) связан со вторым (12) источником напряжения смещения, второй (13) выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого (7) выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора (1), а затвор связан с третьим (14) источником напряжения смещения, отличающийся тем, что между затвором первого (7) выходного транзистора и стоком входного транзистора (1) включен корректирующий конденсатор (15).