Широкополосный усилитель

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). Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению (К_у). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями. Широкополосный усилитель содержит входной транзисторный каскад (1), коллекторный выход (2) которого связан с первым (3) источником питания (ИП) через резистор коллекторной нагрузки (4), выходной транзистор (Т) (5), коллектор которого соединен с первым (3) ИП, база подключена к коллекторному выходу (2) входного транзисторного каскада (1), второй (6) ИП, связанный с эмиттерной цепью входного транзисторного каскада (1), токостабилизирующий двухполюсник (7), включенный между выходом устройства (8), соединенным с эмиттером выходного Т (5) и вторым (6) ИП. В схему введено дополнительное токовое зеркало (9), вход которого через первый (10) дополнительный резистор соединен с источником вспомогательного напряжения (11), токовый выход подключен к коллекторному выходу (2) входного транзисторного каскада (1), а общий эмиттерный выход связан с эмиттером выходного Т (5). 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

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).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические широкополосные усилители (ШУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1] или каскада общей базой [2-6, 8, 12, 15]. В ряде случаев для уменьшения влияния сопротивления низкоомной нагрузки на коэффициент усиления в выходную цепь таких ШУ включается эмиттерный повторитель напряжения (схема с общим коллектором) [7, 9-11, 13].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ШУ, опубликованный в патентной заявке US №2005/0233714, fig.3. Он содержит входной транзисторный каскад 1, коллекторный выход 2 которого связан с первым 3 источником питания через резистор коллекторной нагрузки 4, выходной транзистор 5, коллектор которого соединен с первым 3 источником питания, база подключена к коллекторному выходу 2 входного транзисторного каскада 1, второй 6 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного транзисторного каскада 1, токостабилизирующий двухполюсник 7, включенный между выходом устройства 8, соединенным с эмиттером выходного транзистора 5 и вторым 6 источником питания.

Существенный недостаток известного ШУ, архитектура которого присутствует также во многих других усилителях [1-15], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К_у) получается небольшим (K_ymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными, а применение активных нагрузок на p-n-р транзисторах не всегда допускается.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (К_у). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной транзисторный каскад 1, коллекторный выход 2 которого связан с первым 3 источником питания через резистор коллекторной нагрузки 4, выходной транзистор 5, коллектор которого соединен с первым 3 источником питания, база подключена к коллекторному выходу 2 входного транзисторного каскада 1, второй 6 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного транзисторного каскада 1, токостабилизирующий двухполюсник 7, включенный между выходом устройства 8, соединенным с эмиттером выходного транзистора 5 и вторым 6 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 9, вход которого через первый 10 дополнительный резистор соединен с источником вспомогательного напряжения 11, токовый выход подключен к коллекторному выходу 2 входного транзисторного каскада 1, а общий эмиттерный выход связан с эмиттером выходного транзистора 5.

Схема широкополосного усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. Схема фиг.3 соответствует п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 приведена схема фиг.2, в которой в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используется транзистор 17 и источник напряжения 18(Е₁₈<Е₃).

На фиг.5 приведена схема ШУ в соответствии с п.3, а на чертеже фиг.6 - п.4 формулы изобретения.

На фиг.7 показана схема заявляемого ШУ фи. 5 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов при Е_п=±2 В.

На фиг.8 представлена зависимость коэффициента усиления по напряжению ШУ фиг.7 от численных значений сопротивления резистора 20 (R₂₀=R₂).

На фиг.9 представлены амплитудно-частотные характеристики ШУ фиг.7 при разных значениях сопротивления резистора 20 (R₂₀=R₂).

График фиг.10 - амплитудно-частотная характеристика ШУ фиг.7 при R₂₀=R₂=2,6 кОм.

На фиг.11 показана схема ШУ фиг.2, в которой входной транзисторный каскад 1 выполнен в виде схемы с общим эмиттером на транзисторе 23 и конденсаторе 24. В этой схеме токовое зеркало 9 содержит транзистор 25 и р-n-переход 26. Кром этого здесь введена отрицательная обратная связь (резистор 27) и включен выходной транзистор 28. В качестве источника вспомогательного напряжения 11 используется общая шина питания.

Широкополосный усилитель фиг.2 содержит входной транзисторный каскад 1, коллекторный выход 2 которого связан с первым 3 источником питания через резистор коллекторной нагрузки 4, выходной транзистор 5, коллектор которого соединен с первым 3 источником питания, база подключена к коллекторному выходу 2 входного транзисторного каскада 1, второй 6 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного транзисторного каскада 1, токостабилизирующий двухполюсник 7, включенный между выходом устройства 8, соединенным с эмиттером выходного транзистора 5 и вторым 6 источником питания. В схему введено дополнительное токовое зеркало 9, вход которого через первый 10 дополнительный резистор соединен с источником вспомогательного напряжения 11, токовый выход подключен к коллекторному выходу 2 входного транзисторного каскада 1, а общий эмиттерный выход связан с эмиттером выходного транзистора 5. Входной транзисторный каскад 1 на фиг.2 содержит разделительный конденсатор 12, транзистор 13, источник тока 14, источник напряжения смещения 15.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используются первый 3 источник питания, а между входом дополнительного токового зеркала 9 и вторым 6 источником питания включен дополнительный двухполюсник 16.

На фиг.5, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используются первый 3 источник питания, а вход токового зеркала 9 связан по переменному току с первым 3 источником питания через последовательно соединенные первый 19 вспомогательный конденсатор и первый 20 вспомогательный резистор.

На фиг.6, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 11 используются первый 3 источник питания, а вход токового зеркала 9 связан по переменному току со вторым 6 источником питания через последовательно соединенный второй 21 вспомогательный конденсатор и второй 22 вспомогательный резистор.

На фиг.11 показана схема ШУ фиг.2, в которой входной транзисторный каскад 1 выполнен в виде схемы с общим эмиттером на транзисторе 23 и конденсаторе 24. В этой схеме токовое зеркало 9 содержит транзистор 25 и р-n-переход 26. Кром этого здесь введена отрицательная обратная связь (резистор 27) и включен выходной транзистор 28. В качестве источника вспомогательного напряжения 11 используется общая шина питания.

Рассмотрим работу ШУ фиг.1 и фиг.3.

Предельный коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.1 определяется сопротивлением резистора R4 коллекторной нагрузки 4:

где S₁≈(r_эl3)^-1 - крутизна усиления входного каскада 1 в режиме

короткого замыкания по выходу, зависящая от сопротивления эмиттерного перехода (г_э13) входного транзистора 13.

Покажем аналитически, что более высокие значения К_у в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.3.

Положительное приращение входного напряжения u_вх вызывает изменение напряжения в узле 2 (u₂), которое практически с единичным коэффициентом передачи поступает на выход 8, а также в узел «А» - вход токового зеркала 9:

Это вызывает изменения токов в резисторе коллекторной нагрузки 4 и в первом 10 дополнительном резисторе:

,

Приращение тока i_R10 передается токовым зеркалом 9 в узел 2 и компенсирует ток через резистор 4. Поэтому эквивалентный ток и эквивалентное сопротивление в узле 2:

где K_il2,9 ≈1 - коэффициент передачи по току токового зеркала 9. Следовательно, коэффициент усиления ШУ фиг.3

Если выбрать R₁₀=R₄ и обеспечить, например, К_i12.9R₄/R₁₀≈0,99, то К_у в схеме фиг.3 будет в 100 раз выше, чем в ШУ-прототипе.

Особенность схемы фиг.4 состоит в том, что она не содержит дополнительный двухполюсник 16.

Схема ШУ фиг.5 имеет эквивалентное сопротивление по переменному току во входной цепи токового зеркала 9, зависящее от резисторов 10 и 20:

За счет выбора R₁₀ обеспечивается необходимый статический режим токового зеркала 9, а за счет выбора R₂₀ - создается условие для повышения К_у (6) в диапазоне средних частот, когда влиянием конденсаторов можно пренебречь.

Аналогично в схеме фиг.6 резистор 10 имеет сопротивление в два раза больше, чем резистор 4, а необходимое для повышения К_у равенство

обеспечивается резистором 22.

Широкополосный усилитель фиг.11, показывает другие возможности заявляемого устройства. Он имеет входной транзисторный каскад 1 по схеме с общим эмиттером (транзистор 23), а также отрицательную обратную связь, стабилизирующую статический режим. Выход 8 в данном ШУ согласован с шиной отрицательного источника питания что позволяет обеспечивать управление следующим транзисторным каскадом 28.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US 2005/0233714, fig.3.

2. Патентная заявка WO 2006077525.

3. Патент CN 101204009.

4. Патент ЕР 1844547.

5. Патент ЕР 1480333 А2, fig.4.

6. Патент США 3.693.108, fig.7.

7. Патентная заявка US 2010/0237942.

8. Патент США 6.642.794, fig.1.

9. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.120, рис.6.30.

10. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.151, рис.6.77.

11. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.201, рис.8.20.

12. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М: ИП РадиоСофт, 2002. - С.201, рис.8.21.

13. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М: ИП РадиоСофт, 2002. - С.254, рис.10.7.

14. Микросхемы и их применение: Справ, пособие / В.А.Батушев, В.Н.Вениаминов, В.Г.Ковалев, О.Н.Лебедев, А.И.Мирошниченко. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1984. - С.50, рис.2.12. - (Массовая радиобиблиотека; Вып.1070).

15. Патент США 6.642.794.

1. Широкополосный усилитель, содержащий входной транзисторный каскад (1), коллекторный выход (2) которого связан с первым (3) источником питания через резистор коллекторной нагрузки (4), выходной транзистор (5), коллектор которого соединен с первым (3) источником питания, база подключена к коллекторному выходу (2) входного транзисторного каскада (1), второй (6) источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного транзисторного каскада (1), токостабилизирующий двухполюсник (7), включенный между выходом устройства (8), соединенным с эмиттером выходного транзистора (5) и вторым (6) источником питания, отличающийся тем, что в схему введено дополнительное токовое зеркало (9), вход которого через первый (10) дополнительный резистор соединен с источником вспомогательного напряжения (11), токовый выход подключен к коллекторному выходу (2) входного транзисторного каскада (1), а общий эмиттерный выход связан с эмиттером выходного транзистора (5).

2. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (11) используется первый (3) источник питания, а между входом дополнительного токового зеркала (9) и вторым (6) источником питания включен дополнительный двухполюсник (16).

3. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (11) используются первый (3) источник питания, а вход токового зеркала (9) связан по переменному току с первым (3) источником питания через последовательно соединенные первый (19) вспомогательный конденсатор и первый (20) вспомогательный резистор.

4. Широкополосный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника вспомогательного напряжения (11) используются первый (3) источник питания, а вход токового зеркала (9) связан по переменному току со вторым (6) источником питания через последовательно соединенный второй (21) вспомогательный конденсатор и второй (22) вспомогательный резистор.