КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ДИАПАЗОНОМ РАБОЧИХ ЧАСТОТ Российский патент 2016 года по МПК H03F3/45 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходного транзистора [1-20]. В ряде случаев [21] выходной транзистор таких КУ выполняется по схеме Дарлингтона (в виде составного транзистора), что несколько увеличивает верхнюю граничную частоту (f_в) устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, представленный в статье «Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости С_кб выходного транзистора в широкополосных каскодных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-практического семинара. - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2002. - С. 47, рис. 3» . Он содержит (фиг. 1) входной преобразователь «напряжение-ток» 1, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов.

Существенный недостаток известного КУ (фиг. 1) состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты f_в. Это обусловлено отсутствием эффекта компенсации паразитной емкости коллектор-база (С_кб) второго 4 выходного транзистора и емкости нагрузки (С_н), подключаемой к выходу 8, в схеме КУ-прототипа.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении верхней граничной частоты 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, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 8 соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9, выход которого подключен к эмиттеру второго 4 выходного транзистора через корректирующий конденсатор 10.

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 «НПП Пульсар» с конкретным выполнением основных функциональных узлов.

На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С_к (конденсатора 10 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот (f_в по уровню -3 дБ) заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 5 раз.

На фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при наличии на выходе 8 устройства паразитного конденсатора нагрузки 13 с эквивалентной емкостью 1 пФ, а также при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С_к (конденсатора 10 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот (f_в по уровню -3 дБ) заявляемого каскодного усилителя фиг. 2 в данном режиме измерения расширяется в 8 раз.

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот фиг. 2 содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов. Выход устройства 8 соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9, выход которого подключен к эмиттеру второго 4 выходного транзистора через корректирующий конденсатор 10. На чертеже фиг. 2 паразитный конденсатор 11 моделирует влияние на работу схемы емкости коллектор-база первого 3 выходного транзистора, а паразитный конденсатор 12 - емкости коллектор-база второго 4 выходного транзистора. Паразитный конденсатор 13 соответствует эквивалентной емкости на подложку первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, а также учитывает емкость нагрузки (С_н), подключаемой к выходу 8.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости коллектор-база первого 3 и второго 4 выходных транзисторов и их емкости на подложку 13. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:

где - комплексы токов через соответствующие паразитные конденсаторы 13, 11 и 12;

- комплекс напряжения на выходе устройства 8;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 13 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 11 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 12 на частоте сигнала ω.

Напряжение создает в корректирующем конденсаторе 10 комплекс тока

где К_у9 - коэффициент передачи по напряжению дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9;

- комплексное сопротивление корректирующего конденсатора 10 на частоте сигнала ω.

Поэтому в выходной цепи устройства 8 обеспечивается взаимная компенсация суммы токов и тока причем комплекс этого компенсирующего тока

где α₄≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера второго 4 выходного транзистора.

Если в схеме фиг. 2 обеспечить равенство

то в конечном итоге диапазон рабочих частот КУ фиг. 2 расширяется. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования (фиг. 4), из которых следует, что верхняя граничная частота заявляемого КУ увеличивается более чем в 5 раз.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

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. 3аявка 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. Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости С_кб выходного транзистора в широкополосных каскодных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-практического семинара. - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2002. - С. 47, рис. 3 http://shemotehnika.sssu.ru/index.php/st2002/1434-stat-2002-048

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях). Технический результат: расширение диапазона рабочих частот КУ (повышение верхней граничной частоты f_в) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот содержит входной преобразователь «напряжение-ток», две шины источника питания, два выходных транзистора, резистор коллекторной нагрузки, дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения и корректирующий конденсатор. 5 ил.

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), согласованный с первой (2) шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора, второй (4) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого (3) выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого (3) выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов (5), резистор коллекторной нагрузки (6), включенный между второй (7) шиной источника питания и выходом устройства (8), связанным с коллекторами первого (3) и второго (4) выходных транзисторов, отличающийся тем, что выход устройства (8) соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения (9), выход которого подключен к эмиттеру второго (4) выходного транзистора через корректирующий конденсатор (10).