Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами. В схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 4 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, реализуемых по новым и перспективным технологиям).

В современной микроэлектронике находят широкое применение «перегнутые» каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходных транзисторов [1-11]. Однако верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению (fв, по уровню - 3 дБ) таких «перегнутых» КУ оказывается во многих случаях недостаточно высокой. Это связано с отрицательным влиянием на fв емкостей коллектор-база (Cкб) выходных транзисторов КУ.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ, представленный в патенте US 4600893, фиг. 4. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15.

Существенный недостаток известного КУ фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1-11], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (fв). Численные значения fв для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе КУ фиг. 1.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг. 1.

На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).

На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика заявляемого устройства при разных значениях коэффициента усиления по току Ki первого 16 и второго 17 токовых зеркал.

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15. В схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.

В схеме фиг. 2 цепь нагрузки 10 выполнена на основе вспомогательных резисторов 18 и 19, роль которых могут выполнять так называемые активные нагрузки.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости коллектор-база первого 5 (Cкб.5) и второго 8 (cкб.8) выходных транзисторов. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:

где - комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база Cкб.5 транзистора 5;

- комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база Cкб.8 транзистора 8;

, - комплексы напряжений на первом 12 и втором 14 выходах устройства;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора Cкб.5 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора Cкб.8 на частоте сигнала ω.

Ток передается через второе 17 токовое зеркало в эмиттерную (), а затем в коллекторную цепь транзистора 5 (Iк5). В результате в выходной цепи (узел 12) обеспечивается почти полная взаимная компенсация двух близких по величине, но противофазных по направлению емкостных токов:

где α5≤1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5;

- комплекс напряжения на первом 12 выходе устройства;

Ki17 - коэффициент передачи по току второго 17 токового зеркала.

Как следствие, эквивалентная постоянная времени τв12, определяющая верхнюю граничную частоту ДУ фиг. 2 для первого 12 выхода устройства, уменьшается:

где R18 - сопротивление вспомогательного резистора 18.

После преобразований (3) можно получить, что

Так как α5≈1, Ki17=1, Cкб.8= Cкб.5, то из (4) следует, что в схеме фиг. 2 обеспечивается повышение верхней граничной частоты:

где - верхняя граничная частота ДУ-прототипа для первого 12 выхода.

Аналогично для второго 14 выхода устройства можно найти

где - верхняя граничная частота ДУ-прототипа для второго 14 выхода.

Результаты компьютерного моделирования подтверждают, что в заявляемой схеме фиг. 2 частота fв12 увеличивается (в сравнении с прототипа) более чем на порядок.

Источники информации

1. Патент US №4600893, фиг. 5.

2. Патент US №4151484, фиг. 4.

3. Патент RU №2321158, фиг. 2.

4. Патент US №7583146.

5. Патент US №5966050, фиг. 4.

6. Патент US №4004245.

7. Патент RU №2349024, фиг. 1.

8. Патент US 5684419.

9. Патент US 4406990.

10. Патент EP 0144647.

11. Патент US №7605658, фиг. 4, фиг. 5.

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и связан со второй (6) шиной источника питания через первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, второй (8) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через второй (9) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания, цепь нагрузки (10), первый (11) вход которой соединен с коллектором первого (5) выходного транзистора и подключен к первому (12) выходу устройства, а второй вход (13) цепи нагрузки (10) соединен с коллектором второго (8) выходного транзистора и связан со вторым (14) выходом устройства, цепь смещения потенциалов (15), отличающийся тем, что в схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к генераторам управляемым напряжением. Технический результат заключается в расширении диапазона перестройки частоты при сохранении нижнего предела диапазона частот и возможности создания генератора в монолитном исполнении.

Изобретение относится к микросхемам СВЧ-фильтрации радиосигналов систем сотовой связи, спутникового телевидения, радиолокации. Технический результат заключается в повышении добротности резонансной амплитудно-частотной характеристики избирательного усилителя при использовании низкодобротных планарных индуктивностей.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в широкополосных радиопередатчиках. Технический результат заключается в преобразовании энергии высших гармоник в энергию постоянного тока и возвращении этой энергии источнику питания.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к ключевым усилителям высокой частоты, и может быть использовано в радиопередатчиках. Технический результат изобретения заключается в улучшении линейности усиления ключевых усилителей мощности за счет существенного снижения уровня гармоник четных порядков в спектре усиливаемого сигнала.

Изобретение относится к технике связи и может использоваться в передающих и ретранслирующих устройствах для линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией.

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.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширении диапазона его рабочих частот.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области усилителей аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение значения верхней граничной частоты без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору первого входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, эмиттер которого подключен к коллектору второго входного транзистора, а база связана с источником напряжения смещения. База первого выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через первый дополнительный резистор, база второго выходного транзистора связана с источником напряжения смещения через второй дополнительный резистор, база первого выходного транзистора соединена с базой первого дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру второго выходного транзистора, база второго выходного транзистора соединена с базой второго дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к эмиттеру первого выходного транзистора, причем эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в условиях воздействия низких температур и радиации. Технический результат заключается в обеспечении радиационно-стойкого низкотемпературного дифференциального усилителя за счет р-канальных полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса. Истоки, соответствующие выходам полевых транзисторов, соединены со стоками соответствующих входов транзистора, затвор одних выходов полевых транзисторов соединен с затворами других соответствующих полевых транзисторов и истоки одних входов полевых транзисторов через первый двухполюсник связан с шиной источника питания, а истоки других первых полевых транзисторов через второй двухполюсник соединены с объединяющим затвором вспомогательным затвором вспомогательного транзистора. 6 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, реализуемых по новым и перспективным технологиям). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Технический результат достигается за счет каскодного усилителя с расширенным частотным диапазоном, который содержит входной преобразователь напряжение-ток (1), токовый выход которого подключен к эмиттеру выходного транзистора (2), неинвертирующий повторитель тока (3), токовый вход которого соединен с базой выходного транзистора (2), а токовый выход связан с эмиттером выходного транзистора (2), выход устройства (4), соединенный с коллектором выходного транзистора (2), резистор коллекторной нагрузки (5), включенный между шиной источника питания (6) и коллектором выходного транзистора (2). В схему введен дополнительный повторитель напряжения (7), вход которого соединен с выходом устройства (4), а выход связан с базой выходного транзистора (2) через дополнительный корректирующий конденсатор (8). 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Прецизионный операционный усилитель содержит: входной параллельно-балансный каскад, первый и второй противофазные токовые выходы которого соединены с первой шиной источника питания через соответствующие первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй вспомогательные транзисторы, коллекторы которых объединены и соединены со второй шиной источника питания через третий токостабилизирующий двухполюсник и связаны с общей истоковой цепью входного параллельно-балансного каскада, база первого вспомогательного транзистора соединена с первым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, база транзистора соединена со вторым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, первый выходной транзистор, база которого соединена с первым токовым выходом входного параллельно-балансного каскада, а коллектор связан со входом токового зеркала, согласованным со второй шиной источника питания. 1 з.п ф-лы, 14 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. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Двойной каскодный усилитель содержит: входной транзистор, исток которого связан с первой шиной источника питания, а затвор через разделительный конденсатор соединен со входом устройства и через вспомогательный двухполюсник связан с первым источником напряжения смещения, первый выходной транзистор, сток которого соединен с выходом устройства и через двухполюсник нагрузки подключен ко второй шине источника питания, а затвор через вспомогательный резистор связан со вторым источником напряжения смещения, второй выходной транзистор, сток которого соединен с истоком первого выходного транзистора, исток подключен к стоку входного транзистора, а затвор связан с третьим источником напряжения смещения, причем между затвором первого выходного транзистора и стоком входного транзистора включен корректирующий конденсатор. 6 ил.

Изобретение относится к применению симметричных активных нагрузок, обеспечивающих преобразование выходных токов симметричных дифференциальных каскадов и их согласование с промежуточными выходными каскадами. Технический результат заключается в создании радиационно-стойкой и низкотемпературной симметричной активной нагрузки с использованием в структуре полевых транзисторов биполярно-полевого технологического процесса, что позволяет применять их при более низких напряжениях питания или увеличить диапазон изменения выходных напряжений при включении в структуру аналоговых микросхем, например, операционных усилителей. В составе симметричной активной нагрузки в качестве первого (5) и второго (6) выходных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, причем сток первого (5) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером первого (13) дополнительного транзистора и через первый (14) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, сток второго (6) выходного полевого транзистора с управляющим p-n переходом соединен с эмиттером второго (15) дополнительного транзистора и через второй (16) дополнительный резистор соединен с первой (9) шиной источника питания, причем второй вывод токостабилизирующего двухполюсника (7) подключен ко второй (17) шине источника питания, согласованной с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами устройства, коллектор первого (13) дополнительного транзистора соединен с первым (11) токовым выходом устройства, коллектор второго (15) дополнительного транзистора соединен со вторым (12) токовым выходом устройства, а базы первого (13) и второго (14) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (2) и второго (4) входных транзисторов. 6 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот без ухудшения коэффициента усиления по напряжению. Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной преобразователь напряжение - ток (1), вход которого подключен к источнику сигнала (2), а токовый выход соединен с шиной источника питания (3) через резистор коллекторной нагрузки (4), неинвертирующий усилитель напряжения (5), вход которого соединен с токовым выходом входного преобразователя напряжение - ток (1) и выходом устройства (6). Между выходом устройства (6) и выходом неинвертирующего усилителя напряжения (5) включен корректирующий конденсатор (7). 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении стабильности статического режима операционного усилителя. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), первый (6) токовый выход входного дифференциального каскада связан с истоком первого (7) выходного полевого транзистора и первым входом (8) выходного дифференциального каскада (9), второй (10) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан с истоком второго (11) выходного полевого транзистора и вторым (12) входом выходного дифференциального каскада (9). Общая эмиттерная цепь (14) выходного дифференциального каскада (9) подключена ко входу дополнительного инвертирующего усилителя (21), выход которого (22) соединен с объединенными затворами первого (7) и второго (11) выходных полевых транзисторов. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к системе (SA) для усиления сигналов, генерируемых блоком (UGS) для генерации сигналов спутника, содержащей первый тракт (V1), содержащий первый полосовой цифровой фильтр (F1) с конечной импульсной характеристикой и первый цифро-аналоговый преобразователь (CNA1), средство (MTF) транспонирования частоты и усилительное устройство (DA). При этом система дополнительно содержит второй тракт (V2), содержащий второй полосовой цифровой фильтр (F2) с конечной импульсной характеристикой, средство (G) усиления, расположенное на выходе упомянутого второго цифрового фильтра (F2), ведомый генератор (NCO) с числовым управлением с коррекцией фазы, второй цифроаналоговый преобразователь (CNA2) и устройство (S) повторного объединения для суммирования сигналов упомянутых первого и второго трактов (V1, V2). 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх