ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С РАСШИРЕННЫМ ЧАСТОТНЫМ ДИАПАЗОНОМ Российский патент 2016 года по МПК H03F3/00 

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 и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов, реализуемых по новым и перспективным технологиям).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические транзисторные усилители (ТУ) по схеме с общей базой [1-4] и с общим эмиттером [5-19] с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходного транзистора [1-19].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ТУ фиг. 1 по патенту US 7.233.209, fig. 4. Он содержит входной преобразователь напряжение - ток 1 (например, схему с общим эмиттером), вход которого подключен к источнику сигнала 2, а токовый выход соединен с шиной источника питания 3 через резистор коллекторной нагрузки 4, неинвертирующий усилитель напряжения 5, вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток 1 и выходом устройства 6.

Существенный недостаток известного ТУ, архитектура которого присутствует также во многих других ТУ [6-19], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (f_в). Это обусловлено отрицательным влиянием на f_в паразитной емкости на подложку (С_п) и емкости коллектор - база (С_кб) выходного транзистора входного преобразователя напряжение - ток 1, а также влиянием на f_в емкостной составляющей нагрузки. Большие численные значения С_п и С_кб для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе ТУ, фиг. 1.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот ТУ (повышение f_в) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению.

Поставленная задача решается тем, что в транзисторном усилителе фиг. 1, содержащем входной преобразователь напряжение - ток 1, вход которого подключен к источнику сигнала 2, а токовый выход соединен с шиной источника питания 3 через резистор коллекторной нагрузки 4, неинвертирующий усилитель напряжения 5, вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток 1 и выходом устройства 6, предусмотрены новые элементы и связи - между выходом устройства 6 и выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 включен корректирующий конденсатор 7.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг. 1. На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п. 1 и п. 2 формулы изобретения.

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

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению ТУ, фиг. 3, при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С_к (конденсатора 7 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого ТУ расширяется более чем в 7 раз.

Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном, фиг. 2, содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, вход которого подключен к источнику сигнала 2, а токовый выход соединен с шиной источника питания 3 через резистор коллекторной нагрузки 4, неинвертирующий усилитель напряжения 5, вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток 1 и выходом устройства 6. Между выходом устройства 6 и выходом неинвертирующего усилителя напряжения 5 включен корректирующий конденсатор 7. Паразитный конденсатор 8 в схеме, фиг. 2, моделирует влияние на ее работу выходной емкости входного преобразователя напряжение - ток 1, входной емкости неинвертирующего усилителя напряжения 5 и эквивалентной емкости нагрузки, подключаемой к выходу устройства 6.

Для фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения численные значения коэффициента передачи по напряжению неинвертирующего усилителя напряжения 5 больше единицы.

Рассмотрим работу ТУ, фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику ТУ, фиг. 2, начинает влиять паразитный конденсатор 8 в выходной цепи устройства 6. При этом для схемы, фиг. 2, справедливы следующие уравнения Кирхгофа:

где , - комплексы токов через конденсаторы 8 и 7;

- комплекс напряжения на выходе устройства 6;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 8 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление корректирующего конденсатора 7 на частоте сигнала ω;

K_у - коэффициент усиления по напряжению неинвертирующего усилителя напряжения 5.

Напряжение создает в корректирующем конденсаторе 7 комплекс тока (2). Поэтому в выходной цепи устройства 6 обеспечивается взаимная компенсация токов и и, следовательно, взаимная компенсация влияния емкостей конденсаторов 7 и 8 на верхнюю граничную частоту f_в устройства. При этом необходимо выполнить условие:

где K_у>1.

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

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

Источники информации

1. Патент US 6.563.368

2. Патент США 6.825.723 fig. 1, fig. 3, fig. 4

3. Патент США 5.914.639 fig. 1

4. Патент US 7.042.295 fig. 3а, fig. 3b

5. Патент US 7.233.209 fig. 4

6. Патент США 6.427.067 fig. 1

7. Патент США 6.486.739 fig. 1

8. Патент США 6.424.225 fig. 1, fig. 5

9. Патент США 6.417.735 fig. 1

10. Патент США 6.414.553 fig. 1

11. Патент США 6.392.492 fig. 1

12. Патент США 6.333.677 fig. 3

13. Патент США 6.114.912 fig. 4

14. Патент США 6.359.516 fig. 1

15. Патент США 6.191.656 fig. 2

16. Патент США 6.476.668

17. Патент США 6.747.516

18. Патент США 6.441.689

19. Патент США 6.005.441

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. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот без ухудшения коэффициента усиления по напряжению. Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной преобразователь напряжение - ток (1), вход которого подключен к источнику сигнала (2), а токовый выход соединен с шиной источника питания (3) через резистор коллекторной нагрузки (4), неинвертирующий усилитель напряжения (5), вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток (1) и выходом устройства (6). Между выходом устройства (6) и выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) включен корректирующий конденсатор (7). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной преобразователь напряжение - ток (1), вход которого подключен к источнику сигнала (2), а токовый выход соединен с шиной источника питания (3) через резистор коллекторной нагрузки (4), неинвертирующий усилитель напряжения (5), вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток (1) и выходом устройства (6), отличающийся тем, что между выходом устройства (6) и выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) включен корректирующий конденсатор (7).

2. Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент передачи по напряжению неинвертирующего усилителя напряжения (5) больше единицы.