Каскодный усилитель



Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель
Каскодный усилитель

 


Владельцы патента RU 2468503:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ 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. Техническим результатом является исключение дополнительного каскада усиления и уменьшение общего энергопотребления за счет повышения коэффициента усиления по напряжению на 20÷30 дБ (до уровня 70-80 дБ). Каскодный усилитель отличается тем, что эмиттер первого (3) выходного транзистора соединен с базой второго (10) выходного транзистора, коллектор которого связан с первой (7) шиной источника питания, эмиттер связан со второй (11) шиной источника питания через первый (12) токостабилизирующий источник и подключен к эмиттеру третьего (13) выходного транзистора, коллектор третьего (13) выходного транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого (14) выходного транзистора и через второй (15) токостабилизирующий источник связана со второй (11) шиной источника питания, причем база четвертого (14) выходного транзистора подключена к базе первого (3) выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго (10) выходного транзистора. 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 каскодные усилители (КУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1-19].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ фиг.1 по патенту RU 2421878.

Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-19], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Еп), характерных для SiGe технологических процессов (Еп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K0) получается сравнительно небольшим (K0mах=40÷50 дБ). В первую очередь это обусловлено неполной собственной компенсацией сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Eп не могут выбираться высокоомными.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению на 20÷30 дБ (до уровня 70-80 дБ). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1 для случая, когда в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентом передачи по току меньше единицы используется пассивный двухполюсник - разделительный конденсатор. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны схемы заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.6 приведена схема КУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.7 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.6 при изменении тока первого токостабилизирующего двухполюсника I1 (I12, фиг.3) в пределах I1=0…530 мкА с шагом 106 мкА.

На чертеже фиг.8 показана схема КУ фиг.5, в которой выходной каскод реализован на p-n-p транзисторах.

На чертеже фиг.9 приведена схема КУ фиг.8 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (npn TN15S, pnp TP15S).

На чертеже фиг.10 представлена амплитудно-частотная характеристика КУ фиг.9, а на чертеже фиг.11 - зависимость коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.9 от тока двухполюсника I1, соответствующего на чертеже фиг.2 - фиг.3 току первого токостабилизирующего двухполюсника 12 (I1=I12).

Каскодный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы. Эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы используется разделительный конденсатор.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго токостабилизирующего источника 15 используется токовый выход второго 16 входного преобразователя «напряжение-ток».

В частном случае статический режим входных преобразователей 1 и 16 может устанавливаться источником опорного тока 17. Для симметрирования напряжений коллектор-база транзисторов 3 и 14 в частном случае могут использоваться резисторы 18 и 19.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве первого 1 и второго 16 входных преобразователей «напряжение-ток» используется дифференциальный каскад 20 с противофазными токовыми выходами, реализованный на транзисторах 21 и 22 и источнике тока 23.

На чертеже фиг.5 представлена схема фиг.4 для случая, когда в нее введен конденсатор 24, что позволяет обеспечить симметричный (парафазный) выход каскодного усилителя.

Рассмотрим работу КУ фиг.2.

Предельный коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.1 при нулевой емкости разделительного конденсатора 9 (C9=0) определяется сопротивлением R5 первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки:

где R5>>R8;

S1≈(rэ1)-1 - крутизна усиления входного преобразователя «напряжение-ток» в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая в частном случае от сопротивления эмиттерного перехода (rэвх) входного транзистора данного преобразователя.

Покажем аналитически, что более высокие значения K0 в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.2 при токе I12=0 и C9≠0, что соответствует прототипу фиг.1, а еще более высокий K0 имеет заявляемая схема фиг.2 при токе первого 12 токостабилизирующего двухполюсника, лежащем в пределах I12=100÷150 мкА.

Действительно, в общем случае комплексный коэффициент передачи по напряжению КУ фиг.2 при I12=0 и С9≠0 определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла А.

Если емкость конденсатора 9 равна нулю, то для КУ фиг.2 при условии, что R5>>R8 получаем формулу (1):

где R5>>R8 - сопротивления первого 5 и второго 8 двухполюсников коллекторной нагрузки.

То есть (3) - это формула для K0 усилителя-прототипа при условии, что C9=0.

Комплекс эквивалентной нагрузки в узле А КУ фиг.2 при C9≠O и токе I12=0, то есть когда транзисторы 10, 13 обесточены и не влияют на работу схемы, можно найти по формуле:

где

- комплекс сопротивления конденсатора 9 на частоте ω;

, - токи через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 и через конденсатор 9;

- комплекс коллекторного тока транзистора 3;

- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 3.

После преобразований последней формулы находим, что

Поэтому коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.2 при токе I12=0 и C9≠0

При :

В области рабочих частот, когда 1/ωC9<<rэ3, коэффициент К0.п не лучше, чем

.

Выигрыш по K0, который дает схема КУ фиг.2 при токе I12=0 в сравнении со случаем, когда в схеме фиг.2 I12=0, C9=0, можно оценить с помощью специального комплексного коэффициента

Если ω=0, то , т.е. на постоянном токе выигрыш по коэффициенту усиления K0 отсутствует. При α3=0,98-0,99, rэ3/R8<<1 в области средних частот, когда можно пренебрегать влиянием реактивного сопротивления конденсатора 9 (ωC9=∞), реализуется значительный выигрыш по коэффициенту усиления:

В лучшем случае при R8>>rэ3

Однако с учетом реальных значений параметров элементов знаменатель формулы (9) достаточно существенно отличается от нуля, что не позволяет реализовать в КУ-прототипе предельные значения Nу и, как следствие, коэффициента усиления по напряжению.

В схеме КУ фиг.2, которая является развитием схемы фиг.1, на передачу тока i9 в узел А оказывают влияние дополнительные элементы 10, 12, 13, 14, 15.

Можно показать, что эффективный коэффициент усиления по напряжению (K0.н) каскодного усилителя фиг.2 в области средних частот, когда влиянием сопротивления 1/С9ω можно пренебречь, а ток I12≠0, определяется по формуле

где ;

I0 - статический ток эмиттера транзисторов 3 и 14;

- коэффициент деления тока через резистор 5 между двухполюсником 8 и эмиттером транзистора 3.

Таким образом, в заявленной схеме на коэффициент усиления по напряжению оказывает влияние ток первого 12 токостабилизирующего двухполюсника I12:

За счет выбора тока I12 в схеме фиг.2 можно обеспечить практически любое значение K0.н, что недостижимо в КУ-прототипе.

Так, например, для получения Nmax-кратного выигрыша по Kу необходимо обеспечить отношение токов

Как показывают графики фиг.11, при Nmax=10 численные значения тока I12≈600 мкА.

Данные теоретические выводы подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.7, фиг.10, фиг.11.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №6825723 fig.3.

2. Патент США №4151483 fig.2.

3. Патент США №4151484.

4. Патент США №3882410 fig.3.

5. Патентная заявка WO 2004/030207.

6. Патент США №4021749 fig.2.

7. Патент США №3693108 fig.9.

8. Патент США №7113043 fig.2.

9. Патентная заявка США 2006/003 35 62.

10. Патентная заявка США 2006/0132242.

11. Патентная заявка США 2006/0119435.

12. Патентная заявка США 2005/0248408.

13. Патент США №6204728.

14. Патент США №6278329.

15. Патентная заявка США 2005/0225397.

16. Патент США №5451906.

17. Патент США №7098743 fig.1.

18. Патент Англии GB №1431481 fig.2.

19. Патент США №6515547 fig.2.

1. Каскодный усилитель, содержащий первый (1) входной преобразователь «напряжение-ток», токовый выход (2) которого соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора, цепь установления статического режима (4), связанную с базой первого (3) выходного транзистора, первый (5) двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и выходом устройства (6), первую (7) шину источника питания, связанную с первым выводом второго (8) двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго (8) двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого (5) двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого (3) выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь (9) с коэффициентами передачи по току меньше единицы, отличающийся тем, что эмиттер первого (3) выходного транзистора соединен с базой второго (10) выходного транзистора, коллектор которого связан с первой (7) шиной источника питания, эмиттер связан со второй (11) шиной источника питания через первый (12) токостабилизирующий источник и подключен к эмиттеру третьего (13) выходного транзистора, коллектор третьего (13) выходного транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого (14) выходного транзистора и через второй (15) токостабилизирующий источник связана со второй (11) шиной источника питания, причем база четвертого (14) выходного транзистора подключена к базе первого (3) выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго (10) выходного транзистора.

2. Каскодный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующей согласующей цепи (9) с коэффициентами передачи по току меньше единицы используется разделительный конденсатор.

3. Каскодный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго (15) токостабилизирующего источника используется токовый выход второго (16) входного преобразователя «напряжение-ток».

4. Каскодный усилитель по п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве первого (1) и второго (16) входных преобразователей «напряжение-ток» используется дифференциальный каскад (20) с противофазными токовыми выходами.



 

Похожие патенты:

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, высокочастотных усилителях, фазорасщепителях, компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п.

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов телевидения, радиолокации и т.п. .

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).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов. .

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, в прецизионных интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.).

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, в компараторах и решающих усилителях с управляемыми параметрами, а также аналоговых микросхемах (AM) с цепями частотной коррекции коэффициента усиления или программируемых AM).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации

Изобретение относится к вычислительной технике

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в усилителях различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в устройствах СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации и т.п

Изобретение относится к области радиотехники

Изобретение относится к области радиотехники
Наверх