Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или с общим эмиттером)

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 высокочастотных усилителях, компараторах, преобразователях сигналов и т.п. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты широкополосного усилителя (ШУ) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в рабочем диапазоне частот. ШУ на основе каскада с общей базой (или общим эмиттером) содержит входной каскад (1), управляющий вход которого (2) связан с источником сигнала (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и коллекторным выходом (6) входного каскада (1), паразитный конденсатор (7), включенный между коллекторным выходом (6) входного каскада (1) и общей шиной (8) источника питания. В схему введен неинвертирующий буферный усилитель (9), вход которого соединен с коллекторным выходом (6) входного каскада (1), а выход (10) является выходом устройства, и дополнительный транзистор (11), база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (12), коллектор подключен ко входу неинвертирующего буферного усилителя (9), эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник (13) соединен с общей шиной источников питания (8), причем выход устройства (8) связан с эмиттером дополнительного транзистора (11) через дополнительный конденсатор (14). 2 з.п. ф-лы, 7 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 в высокочастотных усилителях, компараторах, преобразователях сигналов и т.п.

Основой современной аналоговой микроэлектроники являются классические транзисторные каскады с общей базой (ОБ) и общим эмиттером (ОЭ) [1-57], входящие в структуру многих существующих и разрабатываемых микросхем для диапазонов частот 0÷250 ГГц. При этом верхняя граничная частота fв каскадов с ОБ и ОЭ (по уровню -3 дБ) определяется, в основном, постоянной времени, образуемой паразитной емкостью на подложку Сп и емкостью коллектор-база Скб выходного интегрального транзистора

f в 1 2 π τ в , ( 1 )

где τв≈Rкпкб),

Rк - эквивалентное сопротивление в коллекторной цепи выходного транзистора каскада с ОБ (ОЭ).

Для повышения коэффициента усиления Ку по напряжению сопротивление RK приходится выбирать большим, что снижает fв. В классических каскадах ОБ и ОЭ данное противоречие практически не разрешимо в рамках известных схемотехнических решений.

Повышение fB классических транзисторных схем - одна из центральных проблем современной микросхемотехники. Ее разрешение особенно актуально для микросхем с микронными топологическими нормами (0,6÷3 мкм), так как в рамках данных технологий сегодня выпускается более 70% дешевых микроэлектронных изделий.

Известны методы повышения fв транзисторных каскадов, рассмотренные в патентах фирмы Analog Devices [US 5.434.446], STM Microelectronics [US 6.233.012]. Однако они не универсальны - их практическое применение связано с использованием специальных технологических процессов и уникальной схемотехники, что удорожает конкретные изделия. Так, предложенный в патенте US 5.434.446 фирмы Analog Devices прием применим для технологии с диэлектрической изоляцией. Для его осуществления при каждом транзисторе, определяющем параметры ШУ на высоких частотах, необходимо иметь широкополосный буферный усилитель с малой входной емкостью.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический широкополосный усилитель (ШУ) на каскаде с общей базой, описанный в патенте US 5.933.057. Он содержит входной каскад (1), управляющий вход которого (2) связан с источником сигнала (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и коллекторным выходом (6) входного каскада (1), паразитный конденсатор (7), включенный между коллекторным выходом (6) входного каскада (1) и общей шиной (8) источника питания.

Существенный недостаток ШУ-прототипа - сравнительно невысокие значения верхней граничной частоты fв.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении верхней граничной частоты ШУ без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в рабочем диапазоне частот.

Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной каскад 1, управляющий вход которого 2 связан с источником сигнала 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и коллекторным выходом 6 входного каскада 1, паразитный конденсатор 7, включенный между коллекторным выходом 6 входного каскада 1 и общей шиной 8 источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен неинвертирующий буферный усилитель 9, вход которого соединен с коллекторным выходом 6 входного каскада 1, а выход 10 является выходом устройства, и дополнительный транзистор 11, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 12, коллектор подключен ко входу неинвертирующего буферного усилителя 9, эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник 13 соединен с общей шиной источников питания 8, причем выход устройства 8 связан с эмиттером дополнительного транзистора 11 через дополнительный конденсатор 14.

На чертеже фиг.1 приведена функциональная схема классического широкополосного усилителя-прототипа на основе входного каскада 1 с ОБ.

На чертеже фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена схема, соответствующая п.1 и п.3 формулы изобретения, в которой входной каскад 1 реализован по схеме с общим эмиттером (ОЭ).

На чертеже фиг.4 показана схема фиг.3 в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.5 приведены логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) ШУ фиг.4 при различных значениях емкости дополнительного конденсатора Cvar (C14=Cvar).

На чертеже фиг.6 показана схема фиг.2 в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.7 представлены логарифмические амплитудно-частотные характеристики ШУ фиг.6 при различных значениях емкости дополнительного конденсатора 14 (Cvar=C14).

Широкополосный усилитель фиг.2 содержит входной каскад 1, управляющий вход которого 2 связан с источником сигнала 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и коллекторным выходом 6 входного каскада 1, паразитный конденсатор 7, включенный между коллекторным выходом 6 входного каскада 1 и общей шиной 8 источника питания. В схему введен неинвертирующий буферный усилитель 9, вход которого соединен с коллекторным выходом 6 входного каскада 1, а выход 10 является выходом устройства, и дополнительный транзистор 11, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 12, коллектор подключен ко входу неинвертирующего буферного усилителя 9, эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник 13 соединен с общей шиной источников питания 8, причем выход устройства 8 связан с эмиттером дополнительного транзистора 11 через дополнительный конденсатор 14.

Входной каскад 1 на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, реализован по схеме с общей базой на транзисторе 15 и токостабилизирующем двухполюснике 16, а источник сигнала 3 содержит конденсатор 17, согласующий резистор 18 и источник ЭДС сигнала 19.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, входной каскад 1 реализован по схеме с общим эмиттером на транзисторе 20, а источник сигнала 3 включает ЭДС сигнала 21 и источник постоянного смещения 22.

Рассмотрим работу схем фиг.1 и фиг.2 в диапазоне высоких частот.

Комплексный коэффициент усиления по напряжению ШУ фиг.1 определяется известной формулой

K ˙ у = U ˙ в ы х U ˙ в х K 0 1 + j ω R 4 C 7 , ( 1 )

где K0 - коэффициент усиления каскада 1 в диапазоне средних частот, когда влиянием всех конденсаторов можно пренебречь;

R4, C7 - сопротивление двухполюсника коллекторной нагрузки 4 и емкость паразитного конденсатора 7 соответственно.

Для рассматриваемых каскадов ОБ (фиг.2) и ОЭ (фиг.3):

K 0 = K 0. О Б K 0. O . R 4 r э , ( 2 )

где rэ=10÷50 Ом - сопротивление эмиттерного р-n перехода выходного транзистора каскада 1.

Причем, верхняя граничная частота fв в ШУ фиг.1:

f в = 1 2 π R 4 C 7 , ( 3 )

а площадь усиления Bs, определяющая качество ШУ, находится как произведение

B s = f в K 0 1 2 π r э C 7 . ( 4 ) λ

В заявляемом устройстве фиг.2 (при выборе буферного усилителя с единичным усилением K ˙ y = 1 и С7=C14) площадь усиления B s * и fв.н возрастают:

B s * 1 2 π r э C 7 ( 1 α 11 ) > > B s , ( 5 )

f в . н 1 2 π R 4 C 7 ( 1 α 11 ) , ( 6 )

где α11≤0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера дополнительного транзистора 11.

Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования:

- в схеме ШУ с ОБ фиг.6 верхняя граничная частота fв увеличивается в сравнении с прототипом в 6,3 раза без ухудшения К0 (фиг.7);

- в схеме ШУ с ОЭ фиг.4 fв возрастает в 3,6 раза (фиг.5).

Таким образом, в предлагаемых ШУ решается одна из фундаментальных проблем современной микроэлектроники - расширение диапазона рабочих частот классических каскадов с общей базой и общим эмиттером. Причем данный эффект реализуется в рамках стандартных, в том числе, микронных технологий (например, «кремний на изоляторе», «кремний на сапфире» и др., на основе которых выполняются микросхемы с повышенной радиационной стойкостью и расширенным температурным диапазоном).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.563.368

2. Патент US 3.531.729 fig.3

3. Патент US 5.510.745 fig.5а

4. Патент US 5.933.057 fig.1

5. Патент US 7.042.295 fig.2

6. Патент DE 2503384 fig.2

7. Остапенко Г.С.Усилительные устройства: учебное пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.4.30, стр.187.

8. Ежков Ю.А. Справочник по схемотехнике усилителей. - 2-е изд., перераб. - М.: ИП РадиоСофт, 2002. - С.208. - Рис.8.26.

9. Патент США 6.825.723

10. Патент США 3.693.108, фиг.7

11. Патентная заявка США 2002/0239430

12. Патент Англии 1485092 кл. Н3Т

13. Патент США 4.047.118, H03F 3/04

14. Патент Англии 2013444, Кл. НЗТ

15. Патент ФРГ 2.503.384

16. Патент Франции 2.514.217

17. Патент США 4.990.864, H03F 3/04

18. Патент США 5.914.639

19. Пат. заявка США 2005/0218944

20. Пат. заявка США 2007/0216484, H03F 3/45

21. Пат. заявка США 2005/0140443

22. Патент США 5.973.262

23. Патент Японии JP2001/308658

24. Патент США 4.065.724

25. Патент США 4.393.355

26. Патент США 4.232.271

27. Патент США 4.887.047, H03F 3/45

28. Патент США 5.767.662

29. Патент США 7.098.743

30. Патент США 4.342.967

31. Патент США 5.914.640

32. Патент США 5.914.639

33. Патент США 4.525.678

34. Патент США 6.427.067

35. Патент США 6.486.739

36. Патент США 6.424.225

37. Патент США 6.417.735

38. Патент США 6.414.553

39. Патент США 6.392.492

40. Патент США 6.333.677

41. Патент США 6.114.912

42. Патент США 6.359.516

43. Патент США 6.456.163

44. Патент США 5.986.509

45. Патент США 6.191.656

46. Патент США 6.549.075

47. Патент Японии JP 2004/172681

48. Патент WO 2004/054094

49. Патент США 6.476.668

50. Патент США 5.986.509

51. Патент США 6.417.735

52. Патент США 6.747.516

53. Пат. заявка США US 2006/0032577

54. Пат. заявка США 2006/0132242

55. Патент Японии JP 2004/159195)

56. Патент США 6.441.689

57. Патент США 6.005.441

1. Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или общим эмиттером), содержащий входной каскад (1), управляющий вход которого (2) связан с источником сигнала (3), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и коллекторным выходом (6) входного каскада (1), паразитный конденсатор (7), включенный между коллекторным выходом (6) входного каскада (1) и общей шиной (8) источника питания, отличающийся тем, что в схему введен неинвертирующий буферный усилитель (9), вход которого соединен с коллекторным выходом (6) входного каскада (1), а выход (10) является выходом устройства, и дополнительный транзистор (11), база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (12), коллектор подключен ко входу неинвертирующего буферного усилителя (9), эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник (13) соединен с общей шиной источников питания (8), причем выход устройства (8) связан с эмиттером дополнительного транзистора (11) через дополнительный конденсатор (14).

2. Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или общим эмиттером) по п.1, отличающийся тем, что входной каскад (1) реализован по схеме с общей базой.

3. Широкополосный усилитель на основе каскада с общей базой (или общим эмиттером) по п.1, отличающийся тем, что входной каскад (1) реализован по схеме с общим эмиттером.



 

Похожие патенты:

Прецизионный усилитель аналоговых сигналов большой мощности с высоким КПД относится к области радиотехники для использования в качестве прецизионного УНЧ, созданного на основе полупроводниковых приборов.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов, аналого-цифровых преобразователях, RC-фильтрах, инструментальных усилителях 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 радиотехнике, а более конкретно к двунаправленным СВЧ усилителям. Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что двунаправленность усиления достигается путем применения циркуляторов или направленных ответвителей вместо коммутаторов на входах устройства.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (видеоусилителей, операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

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

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в расширении частотного диапазона ИУ за счет ослабления влияния частоты единичного усиления f1 основного ОУ на частоту квазирезонанса f0. Устройство содержит основной операционный усилитель, между выходом и инвертирующим входом которого включен первый частотозависимый резистор, первый и второй частотозадающие конденсаторы, включенные последовательно между выходом основного операционного усилителя и его инвертирующим входом, второй частотозадающий резистор, первый вывод которого соединен с общим узлом последовательно включенных частотозадающих конденсаторов, источник входного напряжения, первую и вторую шины источников питания, второй частотозадающий резистор включен между общим узлом первого и второго частотозадающих конденсаторов и первой шиной источника питания, источник входного напряжения соединен с инвертирующим входом дополнительного преобразователя «напряжение-ток», неинвертирующий вход которого связан с инвертирующим входом основного операционного усилителя, общая эмиттерная цепь дополнительного преобразователя «напряжение-ток» подключена ко второй шине источника питания, а токовый выход дополнительного преобразователя «напряжение-ток» соединен с общим узлом частотозадающих конденсаторов. 15 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от уровня сигнала управления канала «Y». Технический результат заключается в улучшении подавления основной гармоники за счет смесителей аналоговых сигналов. Технический результат достигается за счет управляемого усилителя и смесителя аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада Дарлингтона, который содержит первый (1) и второй (2) источники противофазных входных напряжений, базы первого (3) и второго (4) входных транзисторов, эмиттер первого (3) входного транзистора, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, первый (6) источник питания, эмиттер второго (4) входного транзистора, второй (7) токостабилизирующий двухполюсник, первый (6) источник питания, третий (8) входной транзистор, эмиттер четвертого (9) входного транзистора, третий (10) токостабилизирующий двухполюсник, дифференциальную цепь нагрузки (11), второй (12) источник питания, первый (13) и второй (14) выходы устройства. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0. Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики содержит источник сигнала, входной дифференциальный каскад, корректирующие конденсаторы, шины источника питания, токовые выходы входного дифференциального каскада, токостабилизирующие двухполюсники, токовое зеркало, эмиттер. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада операционного усилителя для дифференциального сигнала, а также получение граничных напряжений его проходной характеристики iвых=f(uвх) на уровне Uгр=0.4÷0,8 В. Комлементарный дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном активной работы содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, входы (3), (4) устройства, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, источник опорного тока (7), первый (8) и второй (9) токоограничивающие резисторы, первый (10) и второй (11) последовательно соединенные вспомогательные резисторы, вспомогательный прямосмещенный p-n переход (12), общий узел (13), первую группу противофазных токовых выходов (14, 15), вторую группу противофазных токовых выходов (16, 17), эмиттерный p-n переход дополнительного транзистора (18), шину (19) источника питания. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к устройствам усиления мощности. Технический результат: повышение на несколько порядков входного сопротивления ВК и его коэффициента усиления по току при достаточно высоком уровне стабильности сквозного тока выходных транзисторов. Устройство содержит: первый (1) и второй (2) выходные транзисторы разного типа проводимости, эмиттеры которых связаны с выходом устройства (3), первую (4) шину питания, связанную с коллектором первого (1) выходного транзистора, вторую (5) шину источника питания, соединенную с коллектором второго (2) выходного транзистора, вход устройства (4) соединен с затворами первого (6) и второго (7) входных транзисторов с управляющим р-n-переходом, стоки которых подключены ко второй (5) шине источника питания, база первого (1) выходного транзистора соединена с истоком первого (6) входного транзистора и стоком первого (8) вспомогательного транзистора, затвор которого подключен к первой (4) шине источника питания, а исток связан с первой (4) шиной источника питания, база второго (2) выходного транзистора соединена с истоком второго (7) входного транзистора и стоком второго (9) дополнительного транзистора, затвор которого соединен с первой (4) шиной источника питания, а исток соединен с первой (4) шиной источника питания через первую (10) цепь последовательно-параллельно соединенных р-n-переходов. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи. Техническим результатом является - увеличение затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно стабильной добротности Q амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ИУ и большом коэффициенте усиления по напряжению (K0) на частоте квазирезонанса f0. Измерительный усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой содержит: источник входного сигнала (1), базу первого (2) входного транзистора, второй (3) входной транзистор, выход (4) устройства, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, первую (6) шину источника питания, токовое зеркало (7), вторую (8) шину источника питания, выход (9), второй (10) токостабилизирующий двухполюсник, первый (11) корректирующий конденсатор, общую шину источников питания (12), второй (13) корректирующий конденсатор, вход (14), дополнительный резистор (15). 6 ил.

Изобретение относится к области электроники, а именно к предварительным усилителям для съема сигналов с детекторов ионизирующих излучений при использовании длинной кабельной линии в схемах амплитудной спектрометрии и для регистрации ядерных излучений. Техническим результатом является увеличение динамической емкости предусилителя. Устройство содержит входной полевой транзистор n-типа, канал усиления тока, выполненный на паре биполярных транзисторов pnp-типа, и основной усилитель, выполненный на базе широкополосного операционного усилителя, охваченный резистивно-емкостной обратной связью, причем в зарядочувствительном предусилителе входной полевой транзистор и каналы усиления тока включают каскодно-дифференциально так, что сток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру первого биполярного транзистора, исток входного полевого транзистора подключен к эмиттеру второго биполярного транзистора, и коллекторы этих транзисторов подключены к неинвертирующему и инвертирующему входам операционного усилителя соответственно, а величины резисторов нагрузок биполярных транзисторов выбирают из условия минимизации входного шума. 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является уменьшение уровня нелинейных искажений и шумов различного происхождения в цепи нагрузки ШНУ с неинвертирующим выходным каскадом. Широкополосный усилитель мощности содержит неинвертирующий выходной каскад (1), вход которого связан со входом устройства (2) и источником входного напряжения (3) через согласующий резистор (4), цепь нагрузки (5), подключенную к выходу (6) устройства, связанному с выходом неинвертирующего выходного каскада (1). В схему введен корректирующий каскад (7), токовый выход которого (8) соединен со входом неинвертирующего выходного каскада (1), между входом устройства (2) и входом (9) корректирующего каскада (7) включен первый (10) дополнительный резистор, а выход устройства (6) связан со входом (9) корректирующего каскада (7) через последовательно соединенные дополнительный инвертирующий буферный усилитель (11) и второй (12) дополнительный резистор. 2 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки содержит источник сигнала, связанный со входом буферного каскада, выход которого подключен к конденсатору цепи нагрузки. Выход буферного каскада соединен со входом неинвертирующего усилителя напряжения и выходом усилителя тока, причем между выходом неинвертирующего усилителя напряжения и входом усилителя тока включен корректирующий многополюсник. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей. Техническим результатом является уменьшение искажений, возникающих при усилении сигнала. Устройство содержит первый сумматор, два идентичных нелинейных усилителя мощности, первый вычитатель и второй сумматор, фазовращатель на угол 90°, второй вычитатель, фильтр нижних частот, нелинейный преобразователь, ограничитель, нелинейный преобразователь, перемножитель и пиковый детектор. 1 ил.
Наверх