Многокаскадный усилитель переменного тока

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в усилителях различного функционального назначения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей за счет формирования резонансной амплитудно-частотной характеристики коэффициентов передачи по току при сравнительно малом энергопотреблении и высоких значениях коэффициента усиления К_i. Усилитель переменного тока содержит последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3.1, 3.2), неинвертирующий (4.1, 4.2) и инвертирующий (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит p-n переход (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3.1, 3.2) токового зеркала. В каждом из токовых зеркал 1 и 2 между эмиттером выходного транзистора (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9.1, 9.2). 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в усилителях различного функционального назначения.

В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе аналоговых интерфейсов широкое применение находят усилители тока [1-36]. Такая структура стала основой построения многих подклассов усилителей, например, для осциллографов. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является многоканальный усилитель тока (фиг.1), рассмотренный в патенте US 4.380.740, fig.3, содержащий последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала.

Существенный недостаток известного усилителя тока и устройств на его основе состоит в том, что он не может работать как резонансный усилитель при малом токопотреблении и высоких значениях коэффициента усиления К_i.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в формировании резонансной амплитудно-частотной характеристики коэффициентов передачи по току при сравнительно малом энергопотреблении и высоких значениях коэффициента усиления К_i.

Поставленная цель достигается тем, что в многокаскадном усилителе, фиг.1, содержащем последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в каждом из токовых зеркал 1 и 2 между эмиттером выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8), (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9), (9.1, 9.2).

На фиг.1 показана схема многокаскадного усилителя-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.

Схема на фиг.3 соответствует фиг.2 и используется для анализа работы УТ, фиг.2.

На фиг.4 приведена схема усилителя, фиг.3, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов техпроцесса SGB25VD.

На фиг.5 показана зависимость от частоты коэффициента передачи тока К_i УТ, фиг.4, на основной неинвертирующий выход 12 (out1) и разность фаз между неинвертирующим 12 и инвертирующим 11 выходами УТ (out1, out2), а на фиг.6 - зависимости от частоты коэффициентов передачи тока K_i на выходы 11 и 12 (out1, out2, фиг.4).

На фиг.7 приведена резонансная зависимость коэффициента передачи тока УТ (фиг.4) со входа inp на выходы i_out1 и i_out2 от частоты.

Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С_кор равно 15 пФ.

На фиг.8 показана зависимость от частоты разности фаз между выходами УТ (фиг.4) i_out1 и i_out2 и коэффициентов передач К_i на эти выходы. Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С=С_кор равно 15 пФ.

На фиг.9 приведена частотная зависимость разности фаз между выходами i_out1 и i_out2 УТ (фиг.4) и коэффициенты передач К_i. Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) 100 пФ.

На фиг.10 показана зависимость коэффициента передачи тока УТ (фиг.3) К_i от частоты при различных значениях емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С=1÷100 пФ. Данные графики показывают, что заявляемое устройство является при C=1÷10 пФ резонансным усилителем с высокой добротностью амплитудно-частотной характеристики.

Заявляемый многокаскадный усилитель, фиг.2, содержит последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала. В каждом из токовых зеркал 1 и 2 между эмиттером выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8), (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9), (9.1, 9.2).

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) каждого из токовых зеркал 1 и 2 используется составной транзистор, содержащий несколько параллельно включенных биполярных транзисторов (в общем случае для транзистора 7.1 - m₁>1, а для транзистора 7.2 - m₂>1).

Кроме этого на фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения в схему введен дополнительный выходной транзистор (10), база которого связана со входом (3.1) первого 1 токового зеркала, эмиттер подключен к инвертирующему токовому выходу (5.2) второго (2) токового зеркала, а коллектор соединен с инвертирующим токовым выходом (5.1) первого (1) токового зеркала и связан с основным инвертирующим токовым выходом (11) устройства, причем в качестве основного неинвертирующего токового выхода (12) устройства используется неинвертирующий токовый выход (4.2) второго (2) токового зеркала, а токовым входом (13) устройства является токовый вход (3.1) первого (1) токового зеркала.

В схемах на фиг.2 (фиг.3) источник входного тока 14 имеет в общем случае две составляющие i_вх(t)=I₀+i_вх - переменную (i_вx) и постоянную I₀. В цепи основного инвертирующего 11 и основного неинвертирующего 12 токовых выходов могут включаться (при необходимости) резисторы нагрузки 15 и 16, осуществляющие преобразование выходных токов в выходное напряжение.

Рассмотрим работу схемы на фиг.3, соответствующую фиг.2.

В статическом режиме, когда переменная составляющая входного тока (i_вx) равна нулю, в транзисторах схемы и в цепях выходов 11 и 12 протекают следующие эмиттерные (I_эi) и коллекторные (I_кi) токи:

где I₁₁, I₁₂ - статические токи, протекающие в выходных узлах 11 и 12.

При синусоидальном входном сигнале i_вх(t) выходной ток первого токового зеркала (i_4.1) для его неинвертирующего выхода 4.1 определяется суммой двух составляющих - током через р-n переход 6.1 (i_вх) и током корректирующего конденсатора 8.1 (m₁i_вх), сопротивлением которого на частоте сигнала можно пренебречь:

где m₁ - число параллельно включенных транзисторов в 7.1.

Поэтому выходной ток основного неинвертирующего выхода 12 (Вых.i_Σ)

где m₂ - число параллельно включенных транзисторов в 7.2.

Аналогично можно найти выходной ток основного инвертирующего токового выхода 11 устройства :

Таким образом, в первом приближении коэффициенты усиления по току предлагаемого устройства для основного неинвертирующего 12 и основного инвертирующего 11 выходов

Из уравнений (5) и (6) можно сделать вывод о том, что при больших значениях емкости корректирующих конденсаторов 8.1, 8.2 и соответствующем выборе площадей р-n переходов транзисторов 7.1, 7.2 можно получить достаточно высокое усиление (,) в широком диапазоне частот.

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5-фиг.6).

Кроме этого выполненные исследования показывают, что при малых значениях корректирующих конденсаторов 8.1, 8.2 (C=1÷10 пФ) заявляемое устройство выполняет функции избирательного усилителя как для основного инвертирующего 11, так и для основного неинвертирующего 12 выходов (фиг.7, фиг.8, фиг.10).

Таким образом, предлагаемая схема усилителя переменного тока имеет низкие значения потребляемого статического тока, который зависит от численных значений токов двухполюсников 9.1, 9.2 и входного статического тока I_вх=I₀, что позволяет использовать УТ для построения как широкополосных, так и избирательных устройств с малым энергопотреблением.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент GB 2.318.470, H03f 3/45

2. Патент ЕР 1.369.992

3. Патент США №5.874.857

4. Патент США №6.456.142, фиг.8

5. Патент США №3.931.583, фиг.9

6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1

7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1

8. Патент США №5.057.787

9. Патентная заявка WO 2004/041298

10. Патент США №5.389.840, фиг.1А

11. Патент США №5.883.539, фиг.1

12. Патентная заявка США № 2005/0052239

13. Патент США №5.151.625, фиг.1

14. Патент США №4.458.211, фиг.5

15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6

16. Патентная заявка США №2007/0090876

17. Патент США №6.727.755

18. Патент США №5.552.734, фиг.13, фиг.16

19. Патентная заявка США № 2006/0232334

20. Патент США №5.767.727

21. Патент США №6.229.395, фиг.2

22. Патент США №5.115.409

23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1

24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15

25. Патент США №5.151.624, фиг.1, фиг.2

26. Патент США №5.329.189, фиг.2

27. Патент США №4.704.738

28. Патент США №4.480.337

29. Патент США №5.825.231

30. Патент США №6.211.718, фиг.1, фиг.2

31. Патент США №5.151.624

32. Патент США №5.329.189

33. Патент США №5.331.289

34. Патент GB №2.323.728

35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1

36. Патент США №4.965.528

1. Многокаскадный усилитель переменного тока, содержащий последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит p-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала, отличающийся тем, что в каждом из токовых зеркал (1) и (2) между эмиттером выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8), (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9), (9.1, 9.2).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) каждого из токовых зеркал (1) и (2) используется составной транзистор, содержащий несколько параллельно включенных биполярных транзисторов (m₁≥1, m₂≥1).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схему введен дополнительный выходной транзистор (10), база которого связана со входом (3.1) первого (1) токового зеркала, эмиттер подключен к инвертирующему токовому выходу (5.2) второго (2) токового зеркала, а коллектор соединен с инвертирующим токовым выходом (5.1) первого (1) токового зеркала и связан с основным инвертирующим токовым выходом (11) устройства, причем в качестве основного неинвертирующего токового выхода (12) устройства используется неинвертирующий токовый выход (4.2) второго (2) токового зеркала, а токовым входом (13) устройства является токовый вход (3.1) первого (1) токового зеркала.