Каскодный усилитель

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 исключение дополнительного каскада усиления и уменьшение общего энергопотребления за счет повышения коэффициента усиления по напряжению на 20÷30 дБ (до уровня 70-80 дБ). Каскодный усилитель отличается тем, что эмиттер первого (3) выходного транзистора соединен с базой второго (10) выходного транзистора, коллектор которого связан с первой (7) шиной источника питания, эмиттер связан со второй (11) шиной источника питания через первый (12) токостабилизирующий источник и подключен к эмиттеру третьего (13) выходного транзистора, коллектор третьего (13) выходного транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого (14) выходного транзистора и через второй (15) токостабилизирующий источник связана со второй (11) шиной источника питания, причем база четвертого (14) выходного транзистора подключена к базе первого (3) выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго (10) выходного транзистора. 3 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).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1-19].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ фиг.1 по патенту RU 2421878.

Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-19], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K₀) получается сравнительно небольшим (K_0mах=40÷50 дБ). В первую очередь это обусловлено неполной собственной компенсацией сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых E_п не могут выбираться высокоомными.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению на 20÷30 дБ (до уровня 70-80 дБ). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1 для случая, когда в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентом передачи по току меньше единицы используется пассивный двухполюсник - разделительный конденсатор. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны схемы заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.

На чертеже фиг.6 приведена схема КУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.7 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.6 при изменении тока первого токостабилизирующего двухполюсника I₁ (I₁₂, фиг.3) в пределах I₁=0…530 мкА с шагом 106 мкА.

На чертеже фиг.8 показана схема КУ фиг.5, в которой выходной каскод реализован на p-n-p транзисторах.

На чертеже фиг.9 приведена схема КУ фиг.8 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (npn TN15S, pnp TP15S).

На чертеже фиг.10 представлена амплитудно-частотная характеристика КУ фиг.9, а на чертеже фиг.11 - зависимость коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.9 от тока двухполюсника I₁, соответствующего на чертеже фиг.2 - фиг.3 току первого токостабилизирующего двухполюсника 12 (I₁=I₁₂).

Каскодный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы. Эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы используется разделительный конденсатор.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго токостабилизирующего источника 15 используется токовый выход второго 16 входного преобразователя «напряжение-ток».

В частном случае статический режим входных преобразователей 1 и 16 может устанавливаться источником опорного тока 17. Для симметрирования напряжений коллектор-база транзисторов 3 и 14 в частном случае могут использоваться резисторы 18 и 19.

На чертеже фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве первого 1 и второго 16 входных преобразователей «напряжение-ток» используется дифференциальный каскад 20 с противофазными токовыми выходами, реализованный на транзисторах 21 и 22 и источнике тока 23.

На чертеже фиг.5 представлена схема фиг.4 для случая, когда в нее введен конденсатор 24, что позволяет обеспечить симметричный (парафазный) выход каскодного усилителя.

Рассмотрим работу КУ фиг.2.

Предельный коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.1 при нулевой емкости разделительного конденсатора 9 (C₉=0) определяется сопротивлением R₅ первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки:

где R₅>>R₈;

S₁≈(r_э1)^-1 - крутизна усиления входного преобразователя «напряжение-ток» в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая в частном случае от сопротивления эмиттерного перехода (r_эвх) входного транзистора данного преобразователя.

Покажем аналитически, что более высокие значения K₀ в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.2 при токе I₁₂=0 и C₉≠0, что соответствует прототипу фиг.1, а еще более высокий K₀ имеет заявляемая схема фиг.2 при токе первого 12 токостабилизирующего двухполюсника, лежащем в пределах I₁₂=100÷150 мкА.

Действительно, в общем случае комплексный коэффициент передачи по напряжению КУ фиг.2 при I₁₂=0 и С₉≠0 определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла А.

Если емкость конденсатора 9 равна нулю, то для КУ фиг.2 при условии, что R₅>>R₈ получаем формулу (1):

где R₅>>R₈ - сопротивления первого 5 и второго 8 двухполюсников коллекторной нагрузки.

То есть (3) - это формула для K₀ усилителя-прототипа при условии, что C₉=0.

Комплекс эквивалентной нагрузки в узле А КУ фиг.2 при C₉≠O и токе I₁₂=0, то есть когда транзисторы 10, 13 обесточены и не влияют на работу схемы, можно найти по формуле:

где

- комплекс сопротивления конденсатора 9 на частоте ω;

, - токи через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 и через конденсатор 9;

- комплекс коллекторного тока транзистора 3;

- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 3.

После преобразований последней формулы находим, что

Поэтому коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.2 при токе I₁₂=0 и C₉≠0

При :

В области рабочих частот, когда 1/ωC₉<<r_э3, коэффициент К_0.п не лучше, чем

.

Выигрыш по K₀, который дает схема КУ фиг.2 при токе I₁₂=0 в сравнении со случаем, когда в схеме фиг.2 I₁₂=0, C₉=0, можно оценить с помощью специального комплексного коэффициента

Если ω=0, то , т.е. на постоянном токе выигрыш по коэффициенту усиления K₀ отсутствует. При α₃=0,98-0,99, r_э3/R₈<<1 в области средних частот, когда можно пренебрегать влиянием реактивного сопротивления конденсатора 9 (ωC₉=∞), реализуется значительный выигрыш по коэффициенту усиления:

В лучшем случае при R₈>>r_э3

Однако с учетом реальных значений параметров элементов знаменатель формулы (9) достаточно существенно отличается от нуля, что не позволяет реализовать в КУ-прототипе предельные значения N_у и, как следствие, коэффициента усиления по напряжению.

В схеме КУ фиг.2, которая является развитием схемы фиг.1, на передачу тока i₉ в узел А оказывают влияние дополнительные элементы 10, 12, 13, 14, 15.

Можно показать, что эффективный коэффициент усиления по напряжению (K_0.н) каскодного усилителя фиг.2 в области средних частот, когда влиянием сопротивления 1/С₉ω можно пренебречь, а ток I₁₂≠0, определяется по формуле

где ;

I₀ - статический ток эмиттера транзисторов 3 и 14;

- коэффициент деления тока через резистор 5 между двухполюсником 8 и эмиттером транзистора 3.

Таким образом, в заявленной схеме на коэффициент усиления по напряжению оказывает влияние ток первого 12 токостабилизирующего двухполюсника I₁₂:

За счет выбора тока I₁₂ в схеме фиг.2 можно обеспечить практически любое значение K_0.н, что недостижимо в КУ-прототипе.

Так, например, для получения N_max-кратного выигрыша по K_у необходимо обеспечить отношение токов

Как показывают графики фиг.11, при N_max=10 численные значения тока I₁₂≈600 мкА.

Данные теоретические выводы подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.7, фиг.10, фиг.11.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №6825723 fig.3.

2. Патент США №4151483 fig.2.

3. Патент США №4151484.

4. Патент США №3882410 fig.3.

5. Патентная заявка WO 2004/030207.

6. Патент США №4021749 fig.2.

7. Патент США №3693108 fig.9.

8. Патент США №7113043 fig.2.

9. Патентная заявка США 2006/003 35 62.

10. Патентная заявка США 2006/0132242.

11. Патентная заявка США 2006/0119435.

12. Патентная заявка США 2005/0248408.

13. Патент США №6204728.

14. Патент США №6278329.

15. Патентная заявка США 2005/0225397.

16. Патент США №5451906.

17. Патент США №7098743 fig.1.

18. Патент Англии GB №1431481 fig.2.

19. Патент США №6515547 fig.2.

1. Каскодный усилитель, содержащий первый (1) входной преобразователь «напряжение-ток», токовый выход (2) которого соединен с эмиттером первого (3) выходного транзистора, цепь установления статического режима (4), связанную с базой первого (3) выходного транзистора, первый (5) двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора и выходом устройства (6), первую (7) шину источника питания, связанную с первым выводом второго (8) двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго (8) двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого (5) двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого (3) выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь (9) с коэффициентами передачи по току меньше единицы, отличающийся тем, что эмиттер первого (3) выходного транзистора соединен с базой второго (10) выходного транзистора, коллектор которого связан с первой (7) шиной источника питания, эмиттер связан со второй (11) шиной источника питания через первый (12) токостабилизирующий источник и подключен к эмиттеру третьего (13) выходного транзистора, коллектор третьего (13) выходного транзистора соединен с коллектором первого (3) выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого (14) выходного транзистора и через второй (15) токостабилизирующий источник связана со второй (11) шиной источника питания, причем база четвертого (14) выходного транзистора подключена к базе первого (3) выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго (10) выходного транзистора.

2. Каскодный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве неинвертирующей согласующей цепи (9) с коэффициентами передачи по току меньше единицы используется разделительный конденсатор.

3. Каскодный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго (15) токостабилизирующего источника используется токовый выход второго (16) входного преобразователя «напряжение-ток».

4. Каскодный усилитель по п.1 или 3, отличающийся тем, что в качестве первого (1) и второго (16) входных преобразователей «напряжение-ток» используется дифференциальный каскад (20) с противофазными токовыми выходами.