Широкополосный усилитель с цепью компенсации входных токов
Владельцы патента RU 2405244:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, фильтрах и т.д.). Технический результат: уменьшение напряжения питания при заданном уровне амплитуд положительного и отрицательного выходного напряжения. Широкополосный усилитель содержит первый (1) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (2) шиной источника питания через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник, первый (4) вспомогательный транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, а база связана со входом (5) токового зеркала (6), причем выход (7) токового зеркала (6) соединен с базой первого (1) входного транзистора и входом (8) устройства, цепь нагрузки (9), включенную между выходом (10) устройства и второй (11) шиной источника питания. В схему введен второй (12) входной транзистор, база которого связана со входом (8) устройства, эмиттер через второй (13) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (2) шиной источника питания, а коллектор подключен к выходу (10) устройства. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, фильтрах и т.д.).
Известны однокаскадные широкополосные усилители (ШУ) с включением транзистора по схеме с общим эмиттером, в которых для уменьшения входного тока применяются специальные цепи компенсации [1-13].
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является широкополосный усилитель, рассмотренный в патенте США №3714600. При этом применение известных цепей компенсации входного тока в ШУ-прототипе приводит к неэффективному использованию напряжения питания. Как следствие - в низковольтных схемах известных ШУ снижается амплитуда выходного напряжения на величину не менее чем 0,7÷0,8 В. В ряде случаев при это недопустимо.
Последние несколько лет источники питания с напряжением 5 В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания до уровня 1,5 В. Эта тенденция реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f1) в компромиссе с напряжением пробоя (Uпр).
Уменьшение напряжения питания (Еп) в биполярных схемах приводит к появлению новых проблем и некоторые из них становятся трудноразрешимыми при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Еп состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер Uбэ, которое не уменьшается линейно с уменьшением технологических норм, так как
,
где φт=kT/q, Iк - ток коллектора, и Is - обратный ток эмиттерного p-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение Uбэ. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (Iк/Is), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение Uбэ. Если в используемой технологии Uбэ=0,7÷0,8 В, то использование 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Еп не может быть включено больше, чем один p-n переход.
Учитывая вышесказанное, а также численные значения напряжения Uбэ=700÷800 мВ, можно сделать вывод о том, что при напряжении питания 1,5 В запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскодные конфигурации (архитектуры).
Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе база-эмиттер обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания широкополосных усилителей на биполярных транзисторах.
Основная цель предполагаемого изобретения - уменьшение напряжения питания коллекторных цепей 
при заданном уровне амплитуд положительного 
и отрицательного 
выходного напряжения 
.
Поставленная цель достигается тем, что в широкополосном усилителе с цепью компенсации входных токов фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 2 шиной источника питания через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник, первый 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а база связана со входом 5 токового зеркала 6, причем выход 7 токового зеркала 6 соединен с базой первого 1 входного транзистора и входом 8 устройства, цепь нагрузки 9, включенную между выходом 10 устройства и второй 11 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй 12 входной транзистор, база которого связана со входом 8 устройства, эмиттер через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 2 шиной источника питания, а коллектор подключен к выходу 10 устройства.
На фиг.1 показана схема известного широкополосного усилителя.
На фиг.2 - схема заявляемого устройства.
На фиг.3 приведена схема дифференциального усилителя, реализованного на основе заявляемого устройства.
Широкополосный усилитель с цепью компенсации входных токов фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой 2 шиной источника питания через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник, первый 4 вспомогательный транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого 1 входного транзистора, а база связана со входом 5 токового зеркала 6, причем выход 7 токового зеркала 6 соединен с базой первого 1 входного транзистора и входом 8 устройства, цепь нагрузки 9, включенную между выходом 10 устройства и второй 11 шиной источника питания. В схему введен второй 12 входной транзистор, база которого связана со входом 8 устройства, эмиттер через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 2 шиной источника питания, а коллектор подключен к выходу 10 устройства.
В соответствии с п.2 формулы изобретения, коэффициент передачи по току токового зеркала 6 близок к двум единицам.
Кроме этого на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, к эмиттерам первого 1 и второго 12 входных транзисторов подключены первый 14 и второй 15 корректирующие конденсаторы.
Рассмотрим работу известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) устройств.
Для ШУ-прототипа фиг.1 можно составить следующие уравнения Кирхгофа:
где Uij.k - напряжения, показанные на чертеже фиг.1.
Если выбрать для минимизации 
и одинаковую амплитуду положительной и отрицательной 
полуволн выходного напряжения, т.е. обеспечить 
, то для ШУ-прототипа фиг.1 выполняется условие
В заявляемом ШУ фиг.2 для выходной и эмиттерной цепей
Сравнение формул (4) и (3) показывает, что предлагаемый ШУ может иметь более широкий (на 0,7 В) диапазон изменения выходного напряжения. Для низковольтных (±1÷1,5 В) СВЧ-транзисторных каскадов, реализуемых по SiGe-технологии, это весьма существенно.
Суммарный входной ток ШУ фиг.2 равен сумме
где Iб.ij - ток базы ij-го транзистора;
Поэтому в предлагаемом ШУ входной статический ток достаточно мал Iвх≈0.
На переменном токе в схеме фиг.2 также обеспечивается компенсация входного тока iвх. Конденсаторы 14 и 15 исключают влияние двухполюсников 13 и 3 на коэффициент усиления ШУ по напряжению.
На базе заявляемого ШУ реализуются схемы дифференциальных каскадов с малым напряжением питания (фиг.3).
Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется малым входным статическим током и более эффективным использованием напряжения низковольтного источника питания.
Источники информации
1. Патент США №3.714.600 fig.1a.
2. Патент США №4.263.562.
3. Патент США №4.629.997 fig.2.
4. Патент США №4.755.770 fig.5, fig.6.
5. Патент США №6.483.382.
6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - рис.4.1, рис.4.3.
7. Патент США №4.639.684 fig.1.
8. Патент США №4.602.172.
9. Патент США №6.157.255.
10. Патентная заявка США 2006/0061420.
11. Патент США №4.575.685.
12. Патент США №6.636.111 fig.1.
13. Патент США №6.236.254 fig.1.
1. Широкополосный усилитель с цепью компенсации входных токов, содержащий первый (1) входной транзистор, эмиттер которого соединен с первой (2) шиной источника питания через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник, первый (4) вспомогательный транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого (1) входного транзистора, а база связана со входом (5) токового зеркала (6), причем выход (7) токового зеркала (6) соединен с базой первого (1) входного транзистора и входом (8) устройства, цепь нагрузки (9), включенную между выходом (10) устройства и второй (11) шиной источника питания, отличающийся тем, что в схему введен второй (12) входной транзистор, база которого связана со входом (8) устройства, эмиттер через второй (13) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (2) шиной источника питания, а коллектор подключен к выходу (10) устройства.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коэффициент передачи по току токового зеркала (6) близок к двум единицам.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к эмиттерам первого (1) и второго (12) входных транзисторов подключены первый (14) и второй (15) корректирующие конденсаторы.
