Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот

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 (например, широкополосных усилителях). Технический результат: расширение диапазона рабочих частот КУ (повышение верхней граничной частоты fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот содержит входной преобразователь «напряжение-ток», две шины источника питания, два выходных транзистора, резистор коллекторной нагрузки, дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения и корректирующий конденсатор. 5 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 (например, широкополосных усилителях).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходного транзистора [1-20]. В ряде случаев [21] выходной транзистор таких КУ выполняется по схеме Дарлингтона (в виде составного транзистора), что несколько увеличивает верхнюю граничную частоту (fв) устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ, представленный в статье «Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости Скб выходного транзистора в широкополосных каскодных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-практического семинара. - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2002. - С. 47, рис. 3» . Он содержит (фиг. 1) входной преобразователь «напряжение-ток» 1, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов.

Существенный недостаток известного КУ (фиг. 1) состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты fв. Это обусловлено отсутствием эффекта компенсации паразитной емкости коллектор-база (Скб) второго 4 выходного транзистора и емкости нагрузки (Сн), подключаемой к выходу 8, в схеме КУ-прототипа.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении верхней граничной частоты 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, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 8 соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9, выход которого подключен к эмиттеру второго 4 выходного транзистора через корректирующий конденсатор 10.

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 ОАО «НПП Пульсар» с конкретным выполнением основных функциональных узлов.

На фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск (конденсатора 10 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот (fв по уровню -3 дБ) заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 5 раз.

На фиг. 5 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при наличии на выходе 8 устройства паразитного конденсатора нагрузки 13 с эквивалентной емкостью 1 пФ, а также при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Ск (конденсатора 10 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот (fв по уровню -3 дБ) заявляемого каскодного усилителя фиг. 2 в данном режиме измерения расширяется в 8 раз.

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот фиг. 2 содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, согласованный с первой 2 шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, второй 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого 3 выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого 3 выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов 5, резистор коллекторной нагрузки 6, включенный между второй 7 шиной источника питания и выходом устройства 8, связанным с коллекторами первого 3 и второго 4 выходных транзисторов. Выход устройства 8 соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9, выход которого подключен к эмиттеру второго 4 выходного транзистора через корректирующий конденсатор 10. На чертеже фиг. 2 паразитный конденсатор 11 моделирует влияние на работу схемы емкости коллектор-база первого 3 выходного транзистора, а паразитный конденсатор 12 - емкости коллектор-база второго 4 выходного транзистора. Паразитный конденсатор 13 соответствует эквивалентной емкости на подложку первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, а также учитывает емкость нагрузки (Сн), подключаемой к выходу 8.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.

В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости коллектор-база первого 3 и второго 4 выходных транзисторов и их емкости на подложку 13. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:

где - комплексы токов через соответствующие паразитные конденсаторы 13, 11 и 12;

- комплекс напряжения на выходе устройства 8;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 13 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 11 на частоте сигнала ω;

- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 12 на частоте сигнала ω.

Напряжение создает в корректирующем конденсаторе 10 комплекс тока

где Ку9 - коэффициент передачи по напряжению дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения 9;

- комплексное сопротивление корректирующего конденсатора 10 на частоте сигнала ω.

Поэтому в выходной цепи устройства 8 обеспечивается взаимная компенсация суммы токов и тока причем комплекс этого компенсирующего тока

где α4≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера второго 4 выходного транзистора.

Если в схеме фиг. 2 обеспечить равенство

то в конечном итоге диапазон рабочих частот КУ фиг. 2 расширяется. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования (фиг. 4), из которых следует, что верхняя граничная частота заявляемого КУ увеличивается более чем в 5 раз.

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

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 5.502.420

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

3. Патент US 6.392.492 fig. 1

4. Патент US 5.914.640 fig. 2

5. Патент US 4.342.967 fig. 1

6. Патент US 6.825.723 fig. 3

7. Заявка на патент US 2006/0248408

8. Патент US 7.098.743 fig. 4e

9. Патент ES 2.079.397 fig. 9

10. Патент US 7.023.281 fig. 2b

11. Заявка на патент US 2005/0248408

12. 3аявка на патент US 2005/0225397 fig. 3

13. Патент US 7.113.043 fig. 2

14. Патент US 7.098.743 fig. 4

15. Патент US 6.278.329

16. Патент US 6.204.728 fig. 4a

17. Патент US 5.451.906 fig. 2

18. Патент US 4.151.483 fig. 2

19. Патент US 4.021.749 fig. 2

20. Патент GB 1.431.481

21. Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости Скб выходного транзистора в широкополосных каскодных усилителях / Н.Н. Прокопенко, Н.В. Ковбасюк, И.Е. Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Сборник материалов Международного научно-практического семинара. - Шахты: Издательство ЮРГУЭС, 2002. - С. 47, рис. 3 http://shemotehnika.sssu.ru/index.php/st2002/1434-stat-2002-048

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), согласованный с первой (2) шиной источника питания, токовый выход которого соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора, второй (4) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой первого (3) выходного транзистора, коллектор подключен к коллектору первого (3) выходного транзистора, а база связана с цепью смещения потенциалов (5), резистор коллекторной нагрузки (6), включенный между второй (7) шиной источника питания и выходом устройства (8), связанным с коллекторами первого (3) и второго (4) выходных транзисторов, отличающийся тем, что выход устройства (8) соединен со входом дополнительного неинвертирующего усилителя напряжения (9), выход которого подключен к эмиттеру второго (4) выходного транзистора через корректирующий конденсатор (10).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, например, в мульдифференциальных операционных усилителях (МОУ), в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, работающих в условиях воздействия радиации.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано также в измерительной технике в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров.

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот каскодного усилителя без ухудшения коэффициента усиления по напряжению.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении напряжения смещения нуля для повышения прецизионности операционного усилителя.

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в уменьшении абсолютного значения Uсм, а также его температурных и радиационных изменений, обусловленных дрейфом β транзисторов.

Изобретение относится к области усилителей аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот цепи смещения статического уровня.

Изобретение относится к прецизионным устройствам усиления сигналов различных сенсоров. Технический результат заключается в создании радиационно стойкого симметричного мультидифференциального усилителя для биполярно-полевого технологического процесса с повышенным коэффициентом усиления входного дифференциального сигнала.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в расширении допустимого диапазона частот квазирезонанса f0, зависящего от численных значений сопротивления первого частотозадающего резистора.

Изобретение относится к области радиотехники и электроники и может быть использовано в качестве источника тока или высокоомной нагрузки усилителя в структуре аналоговых микросхем и блоков различного функционального назначения.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения. Техническим результатом изобретения является обеспечение наибольшей и постоянной полосы пропускания решающего усилителя в широком диапазоне изменения его коэффициента передачи при работе как с активной, так и емкостной или активно емкостной со значительной долей реактивности нагрузкой. В способе обеспечивается управление коэффициентом передачи решающего усилителя при выполнении масштабного изменения сопротивления резисторов четырехполюсника цепи отрицательной обратной связи; преобразования входного напряжения в ток заряда корректирующего конденсатора, причем крутизна преобразования обратно пропорциональна изменению коэффициента передачи четырехполюсника отрицательной обратной связи; стабилизации фазового сдвига сигнала обратной связи дифференциального усилителя решающего усилителя. 10 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано также в измерительной технике в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных сенсоров с токовым выходом. Технический результат - обеспечение подавления синфазной составляющей входных дифференциальных токов устройства. Широкополосный преобразователь N-токовых входных сигналов в напряжение на основе операционного усилителя содержит входной дифференциальный каскад с расширенным диапазоном активной работы, источник питания, цепь активной нагрузки и дополнительный каскад преобразования входных токов на транзисторе по схеме с общей базой с N-токовыми входами. Дифференциальный каскад содержит общую эмиттерную цепь, неинвертирующий вход, инвертирующий вход, противофазные токовые выходы. 4 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат - повышение коэффициента усиления разомкнутого операционного усилителя. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый и второй входы входного дифференциального каскада, первый токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с эмиттером первого выходного транзистора и через первый токостабилизирующий двухполюсник соединенный со второй шиной источника питания, второй токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с эмиттером второго выходного транзистора и через второй токостабилизирующий двухполюсник соединенный со второй шиной источника питания, источник опорного напряжения, связанный с базами первого и второго выходных транзисторов, токовое зеркало, согласованное с первой шиной источника питания, выход которого соединен с токовым выходом устройства. Коллекторы первого и второго выходных транзисторов соединены с первой шиной источника питания, первый токовый выход входного дифференциального каскада связан с эмиттером первого выходного транзистора через первый дополнительный резистор, второй токовый выход входного дифференциального каскада связан с эмиттером второго выходного транзистора через второй дополнительный резистор, причем источник опорного напряжения выполнен на основе дополнительного инвертирующего усилителя синфазного сигнала, выход которого через вспомогательный источник опорного тока связан с первой шиной источника питания, первый вход дополнительного инвертирующего усилителя синфазного сигнала соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада и базой первого дополнительного транзистора, второй вход дополнительного инвертирующего усилителя синфазного сигнала соединен со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада и базой второго дополнительного транзистора, коллектор первого дополнительного транзистора соединен со входом токового зеркала, коллектор второго дополнительного транзистора подключен к выходу токового зеркала и выходу устройства, а эмиттеры первого и второго дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат: уменьшение статического тока, потребляемого ОУ от источников питания (без нагрузки), и уменьшение напряжения смещения нуля. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной дифференциальный каскад (1), первую (3) шину источника питания, первый (7) выходной транзистор, первый (8) токостабилизирующий резистор, вторую (9) шину источника питания, второй (11) выходной транзистор, второй (12) токостабилизирующий резистор, цепь динамической нагрузки (13), согласованную с первой (3) шиной источника питания, вход которой (14) подключен к коллектору первого (7) выходного транзистора, а также первый (17) прямосмещенный p-n-переход, второй (18) прямосмещенный p-n-переход, первый (19) и второй (20) дополнительные резисторы. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, в частности усиления сигналов. Технический результат - уменьшение статического тока, потребляемого ОУ при отключенной нагрузке. Биполярно-полевой операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода содержит входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый и второй входы входного каскада, первый токовый выход входного каскада, связанный с эмиттером первого выходного транзистора, который через первый вспомогательный резистор соединен со второй шиной источника питания, второй токовый выход входного каскада, связанный с эмиттером второго выходного транзистора, который через второй вспомогательный резистор соединен со второй шиной источника питания, цепь динамической нагрузки, согласованную с первой шиной источника питания, вход которой соединен с коллектором второго выходного транзистора, а выход подключен к выходу устройства и коллектору первого выходного транзистора. Первый токовый выход входного каскада связан с эмиттером первого выходного транзистора через первый дополнительный двухполюсник и подключен к базе второго выходного транзистора, а второй токовый выход входного каскада связан с эмиттером второго выходного транзистора через второй дополнительный двухполюсник и подключен к базе первого выходного транзистора. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а именно к прецизионным устройствам усиления сигналов. Технический результат - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии ОУ до уровня 90÷100 дБ. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные полевые транзисторы, объединенные истоки которых связаны с первой (3) шиной источника питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, а затворы соединены с соответствующими входами (5) и (6) устройства, первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к цепи смещения потенциалов (9), эмиттер первого (7) выходного транзистора соединен со второй (10) шиной источника питания через первый (11) токостабилизирующий резистор, эмиттер второго (8) выходного транзистора соединен со второй (10) шиной источника питания через второй (12) токостабилизирующий резистор, токовое зеркало (13), согласованное с первой (3) шиной источника питания, выход которого соединен с токовым выходом устройства (14) и коллектором второго (8) выходного транзистора, а вход токового зеркала (13) соединен с коллектором первого (7) выходного транзистора. В схему введены первый (15), второй (16), третий (17) и четвертый (18) дополнительные транзисторы, а также первый (19) и второй (20) дополнительные резисторы, объединенные коллекторы первого (15) и второго (16) дополнительных транзисторов соединены с истоками первого (1) и второго (2) входных полевых транзисторов, базы третьего (17) и четвертого (18) дополнительных транзисторов связаны с базами первого (7) и второго (8) выходных транзисторов, база первого (15) дополнительного транзистора соединена с коллектором третьего (17) дополнительного транзистора, эмиттер первого (15) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого (7) выходного транзистора, эмиттер третьего (17) дополнительного транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через первый (19) дополнительный резистор, база второго (16) дополнительного транзистора соединена с коллектором четвертого (18) дополнительного транзистора, эмиттер второго (16) дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго (8) выходного транзистора, эмиттер четвертого (18) дополнительного транзистора связан со второй (10) шиной источника питания через второй (20) дополнительный резистор. 10 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения выходного напряжения до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания. Устройство содержит: входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый и второй входы входного дифференциального каскада, первый токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с базой первого выходного транзистора и коллектором первого транзистора первого источника опорного тока, эмиттер которого связан со второй шиной источника питания, второй токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с базой второго выходного транзистора и коллектором второго транзистора второго источника опорного тока, эмиттер которого связан со второй шиной источника питания, цепь динамической нагрузки, согласованную с первой шиной источника питания, вход которой соединен с коллектором второго выходного транзистора, а выход связан с выходом устройства и коллектором первого выходного транзистора, причем базы первого и второго транзисторов первого и второго источников опорного тока соединены друг с другом, а эмиттеры первого и второго выходных транзисторов объединены друг с другом. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат: создание энергоэкономичного устройства для усиления разности двух входных токов и подавления их синфазной составляющей. Для этого предложен дифференциальный усилитель двуполярных токов, который содержит первый и второй входы, первый входной каскад усиления тока, вход которого соединен с первым входом, первый выход первого входного каскада усиления тока связан со входом первого токового зеркала, согласованного с первой шиной питания, второй выход первого входного каскада усиления тока связан со входом второго токового зеркала, согласованного со второй шиной питания, выход устройства связан с выходами первого и второго токовых зеркал. В схему введен второй входной каскад усиления тока, вход которого соединен со вторым входом устройства, первый выход второго входного каскада усиления тока связан со входом третьего токового зеркала, согласованного с первой шиной питания, второй выход второго входного каскада усиления тока связан со входом четвертого токового зеркала, согласованного со второй шиной питания, причем выход третьего токового зеркала соединен со входом второго токового зеркала, а выход четвертого токового зеркала соединен со входом первого токового зеркала. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, общая истоковая цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый и второй входы входного дифференциального каскада, первый токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с эмиттером первого выходного транзистора, второй токовый выход входного дифференциального каскада, связанный с эмиттером второго выходного транзистора, первый вспомогательный двухполюсник, первый вывод которого соединен с эмиттером второго выходного транзистора, второй вспомогательный двухполюсник, первый вывод которого соединен с эмиттером первого выходного транзистора, цепь динамической нагрузки, согласованную с первой шиной источника питания, вход которой подключен к коллектору первого выходного транзистора, а выход связан с выходом устройства и коллектором второго выходного транзистора, причем базы первого и второго выходных транзисторов соединены друг с другом, вторую шину источника питания, при этом вторые выводы первого и второго вспомогательных двухполюсников связаны со второй шиной источника питания через первый токостабилизирующий двухполюсник и подключены к базе дополнительного транзистора, эмиттер дополнительного транзистора связан со второй шиной источника питания, а коллектор через второй дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан с первой шиной источника питания. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона изменения выходного напряжения устройства до уровней, близких к напряжениям на положительной и отрицательной шинах питания. Устройство содержит входной дифференциальный каскад, общую цепь питания, две шины источника питания, два основных входа входного дифференциального каскада, два токовых выхода входного дифференциального каскада, транзисторы, токостабилизирующие двухполюсники, цепь динамической нагрузки, токовый выход устройства, резисторы. 5 з.п. ф-лы, 11 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: расширение диапазона рабочих частот КУ без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот содержит входной преобразователь «напряжение-ток», две шины источника питания, два выходных транзистора, резистор коллекторной нагрузки, дополнительный неинвертирующий усилитель напряжения и корректирующий конденсатор. 5 ил.

Наверх