Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном



Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном
Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном
Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном
Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном

 


Владельцы патента RU 2571400:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (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 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 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 классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (истоковую) цепь выходного транзистора [1-22]. Для некоторого повышения верхней граничной частоты таких КУ используются специальные цепи компенсации емкости коллектор-база Скб выходного транзистора [1-2].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, рис. 11а, представленный в статье Прокопенко Н.Н., Будякова А.С., Ковбасюка Н.В., Крутчинского С.Г., Савченко Е.М. Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / под общ. ред. А.Л. Стемпковского. М.: ИППМ РАН, 2006. С. 223-228. Он содержит (фиг. 1) 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.

Существенный недостаток известного КУ, фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1, 2], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (fв). Это обусловлено отрицательным влиянием паразитной емкости на подложку (Сп) его выходного транзистора, которая в КУ-прототипе не компенсируется. Численные значения Сп 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 каскодном усилителе фиг. 1, содержащем 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, предусмотрены новые элементы и связи - 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.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг. 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов XFab с конкретным выполнением основных функциональных узлов.

На чертеже фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению широкополосного дифференциального усилителя на базе КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Cvar (конденсатора 8 в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 2 раза (до 89 ГГц).

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 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. Статический режим неинвертирующего повторителя тока 3 может устанавливаться специальным источником напряжения смещения 9. Первый 10 паразитный конденсатор в схеме фиг. 2 моделирует влияние на работу КУ емкости на подложку транзистора 2, входной емкости дополнительного повторителя напряжения 7 и паразитной емкости нагрузки. Второй 11 паразитный конденсатор моделирует влияние на работу схемы КУ емкости коллектор-база транзистора 2.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости первого 10 и второго 11 паразитных конденсаторов в цепи коллектора транзистора 2. При этом для схемы фиг. 2 справедливо следующее уравнение:

где I ˙ c - комплекс тока через второй 11 паразитный конденсатор;

U ˙ в ы х - комплекс напряжения на выходе устройства 4;

Z ˙ 11 = 1 j ω C 11 - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 11 на частоте сигнала ω.

Напряжение U ˙ в ы х создает в дополнительном корректирующем конденсаторе 8 комплекс тока

где Z ˙ 8 = 1 j ω C 8 - комплексное сопротивление паразитного конденсатора 8 на частоте сигнала ω;

Ку - коэффициент усиления по напряжению дополнительного повторителя напряжения 7.

Если параметры емкостей конденсаторов 8, 10 и 11 удовлетворяют уравнению:

то в выходной цепи устройства 4 обеспечивается взаимная компенсация токов I ˙ п , I ˙ c и I ˙ к о р (в уравнении 3: α2≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2; Ki - коэффициент усиления по току неинвертирующего повторителя тока 3).

В конечном итоге при выполнении условия (3) диапазон рабочих частот КУ фиг. 2 расширяется. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования фиг. 4.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение каскодного усилителя характеризуется более высоким диапазоном рабочих частот.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Compensation Methods of Basic Transistor Output Capacitance Components in Analog Integrated Circuits / N.N. Prokopenko, S.G. Krutchinsky, A.S. Budyakov, J.M. Savchenko, N.V. Kovbasjuk // Proceeding of the Third International Conference on Circuits and Systems for Communications - ICCSC′06. - Politehnica University, Bucharest, Romania: July 6-7, 2006, - pp. 44-49, рис. 11a

2. Метод собственной компенсации импедансов пассивной коллекторной нагрузки в широкополосных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, А.И. Серебряков // Успехи современной радиоэлектроники: Изд-во «Радиотехника». - №9. - 2011. - С. 71-76, рис. 1

3. Патент US 5.502.420

4. Патент US 5.510.745 fig. 5а, 54, 56, 59, 61, 64, 66

5. Патент US 6.392.492 fig. 1

6. Патент US 5.914.640 fig. 2

7. Патент US 4.342.967 (ПТ) fig. 1

8. Патент US 6.825.723 fig. 3

9. Заявка на патент US 2006/0248408

10. Патент US 7.098.743 fig. 4е

11. Патент ES 2.079.397 fig. 9

12. Патент US 7.023.281 fig. 2b

13. Заявка на патент US 2005/0248408

14. 3аявка на патент US 2005/0225397 fig. 3

15. Патент US 7.113.043 fig. 2

16. Патент US 7.098.743 fig. 4

17. Патент US 6.278.329

18. Патент US 6.204.728 fig. 4a

19. Патент US 5.451.906 fig. 2

20. Патент US 4.151.483 fig. 2

21. Патент US 4.021.749 fig. 2

22. Патент GB 1.431.481.

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий 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), отличающийся тем, что 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).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в условиях воздействия низких температур и радиации.

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.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).

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. 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