Широкополосный усилитель с парафазным выходом
Владельцы патента RU 2436225:
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 устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях систем связи, фазорасщепителях и т.п.). Технический результат - получение двух противофазных выходных напряжений при однофазном источнике входного сигнала и малом напряжении питания. Широкополосный усилитель с парафазным выходом содержит первый (1) входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала (2) и через первый (3) резистор подключена к коллектору первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима, второй (5) входной транзистор, база которого через второй (6) резистор подключена к коллектору первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима, цепь симметричной коллекторной нагрузки (7) первого (1) и второго (5) входных транзисторов, включенную между коллекторами первого (1) и второго (5) входных транзисторов и первой (8) шиной источника питания, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима и первой (8) шиной источника питания, вспомогательный резистор (10), второй (11) транзистор цепи стабилизации статического режима, коллектор и эмиттер которого связаны друг с другом, вторая (12) шина источника питания. Эмиттеры первого (1) и второго (5) входных транзисторов объединены и через дополнительный резистор (13) подключены ко второй (12) шине источника питания, а также связаны с эмиттером второго (11) транзистора цепи стабилизации статического режима, эмиттер первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима соединен со второй (12) шиной источника питания через вспомогательный резистор (10), база этого транзистора подключена к базе второго (11) транзистора цепи стабилизации статического режима и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (14) связана с первой (8) шиной источника питания. 1 з.п. ф-лы, 5 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 усилителях систем связи, фазорасщепителях и т.п.).
В современной микроэлектронике применяются широкополосные усилители (ШУ) на основе так называемых квазадифференциальных усилителей (КДУ) [1-9], которые обеспечивают получение двух противофазных выходных напряжений. Однако, для этого на входы таких ШУ необходимо подавать два противофазных входных сигнала uвх и . То есть данные ШУ не являются, строго говоря, дифференциальными каскадами, которые позволяют получить два противофазных входных напряжения при однофазном источнике сигнала. Однако основное достоинство квазадифференциальных усилителей - наиболее эффективное использование напряжения питания (Еп), так как они не содержат каких-либо элементов в эмиттерных цепях входных транзисторов.
Существует также большое количество модификаций ШУ, выполненных на основе классических дифференциальных каскадов, которые формируют два противофазных выходных напряжения при однофазном источнике сигнала. Однако это обеспечивается за счет снижения эффективности использования напряжения питания (Еп) на ΔU0=0,8÷0,9 B, где ΔU0 - максимально возможное статическое напряжение на транзисторном источнике опорного тока, стабилизирующем ток в общей эмиттерной цепи входных SiGe транзисторов дифференциального каскада. Для низковольтных технологий, например, с напряжением питания Еп=1 B данное схемотехническое решение неэффективно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является классический ШУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5.138.318, fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2 и через первый 3 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, второй 5 входной транзистор, база которого через второй 6 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, цепь симметричной коллекторной нагрузки 7 первого 1 и второго 5 входных транзисторов, включенную между коллекторами первого 1 и второго 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима и первой 8 шиной источника питания, вспомогательный резистор 10, второй 11 транзистор цепи стабилизации статического режима, коллектор и эмиттер которого связаны друг с другом, вторая 12 шина источника питания.
Существенный недостаток известного ШУ состоит в том, что он не реализует функцию формирования двух противофазных выходных напряжений из однофазного входного сигнала.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении двух противофазных выходных напряжений при однофазном источнике входного сигнала и малом напряжении питания.
Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе с парафазным выходом, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2 и через первый 3 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, второй 5 входной транзистор, база которого через второй 6 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, цепь симметричной коллекторной нагрузки 7 первого 1 и второго 5 входных транзисторов, включенную между коллекторами первого 1 и второго 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима и первой 8 шиной источника питания, вспомогательный резистор 10, второй 11 транзистор цепи стабилизации статического режима, коллектор и эмиттер которого связаны друг с другом, вторая 12 шина источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттеры первого 1 и второго 5 входных транзисторов объединены и через дополнительный резистор 13 подключены ко второй 12 шине источника питания, а также связаны с эмиттером второго 11 транзистора цепи стабилизации статического режима, эмиттер первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима соединен со второй 12 шиной источника питания через вспомогательный резистор 10, база этого транзистора подключена к базе второго 11 транзистора цепи стабилизации статического режима и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 14 связана с первой 8 шиной источника питания.
На фиг.1 приведена схему ШУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема заявляемого ШУ, фиг.2, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов, а на фиг.4 - временная зависимость выходных напряжений ШУ. Последний график показывает, что выходные напряжения в заявляемом ШУ противофазны, причем статическое падение напряжения на дополнительном резисторе 13 не превышает 200 мВ (R13=R4=70 Ом). Это важное достоинство предлагаемого ШУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
На фиг.5 показана амплитудно-частотная характеристика ШУ фиг.3.
Широкополосный усилитель с парафазным выходом, фиг.2, содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала 2 и через первый 3 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, второй 5 входной транзистор, база которого через второй 6 резистор подключена к коллектору первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима, цепь симметричной коллекторной нагрузки 7 первого 1 и второго 5 входных транзисторов, включенную между коллекторами первого 1 и второго 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима и первой 8 шиной источника питания, вспомогательный резистор 10, второй 11 транзистор цепи стабилизации статического режима, коллектор и эмиттер которого связаны друг с другом, вторая 12 шина источника питания. Эмиттеры первого 1 и второго 5 входных транзисторов объединены и через дополнительный резистор 13 подключены ко второй 12 шине источника питания, а также связаны с эмиттером второго 11 транзистора цепи стабилизации статического режима, эмиттер первого 4 транзистора цепи стабилизации статического режима соединен со второй 12 шиной источника питания через вспомогательный резистор 10, база этого транзистора подключена к базе второго 11 транзистора цени стабилизации статического режима и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 14 связана с первой 8 шиной источника питания. В частном случае цепь симметричной коллекторной нагрузки включает резисторы 15 и 16.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 4 транзистор цепи стабилизации статического режима выполнен в виде составного транзистора, содержащего три параллельно включенных биполярных транзистора.
В качестве двухполюсников 9 и 19 авторы рекомендуют использовать транзисторные (КМОП, БиКМОП и др.) источники опорного тока или высокоомные резисторы.
Рассмотрим работу ШУ фиг.2.
В статическом режиме эмиттерные токи входных транзисторов 1 и 5 устанавливаются двухполюсниками 9 и 14, а также за счет выбора сопротивлений резисторов 13 и 10. На основании второго закона Кирхгофа можно записать следующее уравнение:
где Uэб - напряжение эмиттер-база транзисторов 4 и 11;
U10, U13 - напряжения на резисторах 10 и 13.
С учетом п.2 формулы изобретения, который обеспечивает равенство Uэб.4=Uэб.11, из (1) можно найти:
Если в частном случае выбрать I9=3I0, I14=I0, R3=R10, то из уравнения (2) следует, что Iэ1=Iэ2=I0, где I0 - заданный уровень тока, например 1 мА.
Таким образом, статический режим транзисторов 1 и 5 ШУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 9, 14 и имеет стабильное значение, слабо зависящее от уровня статического напряжения на резисторе 13 (U13). Это позволяет, выбирая U13=100÷200 мВ, обеспечить достаточно эффективное использование напряжения питания Еп, перераспределяя его в пользу напряжений коллектор-база транзисторов 1 и 5 (Uкб.1=Uкб.5) и падений напряжения на резисторах коллекторной нагрузки 15, 16 (U15=U16), определяющих амплитуду максимальных выходных отрицательных 
и положительных 
выходных сигналов:
Таким образом, в заявляемом ШУ при 
и 
максимальная амплитуда неискаженного выходного напряжения для первого и второго выходов:
где U13=0,1÷0,2 B.
Для ШУ на базе классического дифференциального каскада с источником опорного тока (ИОТ) на биполярном транзисторе:
где UИОТ≈0,8÷0,9 B минимально возможное напряжение на ИОТ для SiGe транзисторов.
Для ШУ-прототипа:
Таким образом, по эффективности использования напряжения питания заявляемый ШУ значительно лучше, чем классический ШУ на базе дифференциального каскада, выполняющего такую же функцию по преобразованию однофазного сигнала в два противофазных, и несколько хуже, чем ШУ-прототип, который не выполняет функцию формирования выходных противофазных сигналов.
Если на вход ШУ подается положительное входное напряжение uвх.1, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора (iэ1) и такое же уменьшение коллекторного тока транзистора 5 iэ5=iэ1. Последний эффект объясняется тем, что напряжение на резисторе 13 не зависит от разности токов эмиттера транзисторов 1 и 5, а определяется только их суммой. Как следствие, напряжения на выходах ШУ имеют разные фазы.
Фиг.5 показывает, что при выбранных параметрах элементов заявляемый ШУ обеспечивает усиление сигнала с Ky>20 дБ до частоты 3,4 ГГц.
Таким образом, в отличие от известного ШУ предлагаемая схема имеет существенные преимущества.
Источники информации
1. Патентная заявка США 2005/0174175, fig.2.
2. Патентная заявка США 2007/0120603, fig.1.
3. Патентная заявка США 2005/134387.
4. Патент США №7.088.185.
5. Патентная заявка США 2006/0071712, fig.2.
6. Патентная заявка США 2006/0049874.
7. Патентная заявка США 2007/0290754, fig.1.
8. Патентная заявка США 2008/0309411, fig.1.
9. Коротков А.С. Интегральные (микроэлектронные) радиоприемные устройства. «Микроэлектроника» / Т35, №4, 2006 г., рис.18, стр.301.
1. Широкополосный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) входной транзистор, база которого соединена с источником сигнала (2) и через первый (3) резистор подключена к коллектору первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима, второй (5) входной транзистор, база которого через второй (6) резистор подключена к коллектору первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима, цепь симметричной коллекторной нагрузки (7) первого (1) и второго (5) входных транзисторов, включенную между коллекторами первого (1) и второго (5) входных транзисторов и первой (8) шиной источника питания, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима и первой (8) шиной источника питания, вспомогательный резистор (10), второй (11) транзистор цепи стабилизации статического режима, коллектор и эмиттер которого связаны друг с другом, вторая (12) шина источника питания, отличающийся тем, что эмиттеры первого (1) и второго (5) входных транзисторов объединены и через дополнительный резистор (13) подключены ко второй (12) шине источника питания, а также связаны с эмиттером второго (11) транзистора цепи стабилизации статического режима, эмиттер первого (4) транзистора цепи стабилизации статического режима соединен со второй (12) шиной источника питания через вспомогательный резистор (10), база этого транзистора подключена к базе второго (11) транзистора цепи стабилизации статического режима и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (14) связана с первой (8) шиной источника питания.
2. Широкополосный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что первый (4) транзистор цепи стабилизации статического режима выполнен в виде составного транзистора, содержащего три параллельно включенных биполярных транзистора.
