Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора

Авторы патента:

H03G3/30 - в усилителях на полупроводниковых приборах

Владельцы патента RU 2497271:

Общество с ограниченной ответственностью "Юник Ай Сиз" (ООО "Юник Ай Сиз") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и электроники. В частности к интегральным микросхемам на основе совмещенной гетероструктурной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии. Технический результат состоит в уменьшении вариаций коллекторного тока выходного транзистора при изменении рабочей температуры усилителя, сопротивления нагрузки и напряжения питания. Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - составляющую, зависящую от разницы напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов. Для этого в устройство стабилизации тока коллектора выходного гетероструктурного биполярного транзистора введены дополнительно эмиттерный повторитель, второй опорный транзистор и два токораспределительных резистора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Область техники

Изобретение относится к области радиотехники и электроники. В частности, к интегральным микросхемам на основе совмещенной гетероструктурной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии.

Уровень техники

Проблема стабилизации статического режима работы усилителя состоит в том, что в реальных условиях тепловая мощность, выделяемая в усилительном каскаде, и температура выходного транзистора зависят от режима работы. Рабочая температура гетероструктурных биполярных транзисторов в составе одной монолитной микросхемы может отличаться на 10-20 градусов [1]. В критических случаях возможен тепловой пробой мощных биполярных транзисторов. С увеличением температуры уменьшаются напряжение база-эмиттер и коэффициент усиления базового тока. В диапазоне рабочих температур коэффициент усиления тока уменьшается с увеличением температуры с коэффициентом пропорциональности 0,3-0,5%/°К. А напряжение база-эмиттер при заданном токе эмиттера уменьшается с коэффициентом 2 мВ/°К [2]. При низких температурах уменьшение коллекторного тока с ростом напряжения коллектор-эмиттер иногда приводит к возбуждению каскада и потере усилительной способности прибора.

В известных технических решениях (RU 2193272 С1 (2002 г.), RU 60816 U1 (2006 г.), RU 2421882 С1 (2011 г.), RU 2419198 С1 (2011 г.)) устройство стабилизации тока коллектора компенсирует изменение тока, вызванное изменением средней температуры кристалла микросхемы. Изменение тока, вызванное локальным разогревом транзисторов, не компенсируется.

Наиболее близким техническим решением является усилитель высокочастотных сигналов, описанный в патенте РФ 2116693 С1 (1996 г.). Прототип содержит опорный каскад, формирующий напряжение база-эмиттер, зависящее от средней температуры кристалла; управляющий каскад, задающий ток базы опорного и выходного транзисторов; каскад частотной коррекции, препятствующий проникновению входного высокочастотного сигнала в опорный каскад; выходной каскад, режим работы которого определяется устройством стабилизации. Локальное изменение напряжения база-эмиттер выходного транзистора компенсируется частично за счет ограничительного резистора, изменение коэффициента усиления тока не компенсируется. Стабилизация коллекторного тока в устройстве прототипа неполная. Ток уменьшается с ростом температуры окружающей среды и напряжения питания.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является предотвращение возбуждения усилителя и обеспечение стабильности коэффициента усиления. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение вариаций коллекторного тока выходного гетероструктурного биполярного транзистора при изменении рабочей температуры усилителя, сопротивления нагрузки и напряжения питания.

Согласно изобретению, этот технический результат достигается за счет того, что в высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора (чертеж), включающий выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2), устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4), третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, формирующий составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10), в устройство стабилизации тока коллектора (8) введены дополнительно четвертый биполярный транзистор (14), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), коллектором с шиной питания (4), а эмиттером с делителем тока на основе первого (15) и второго (16) резисторов, причем второй электрод второго резистора (16) соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора (17), эмиттер которого подключен к заземленной шине (11), а второй электрод первого резистора (15) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора (2) пропорционально разности температур между первым (2) и пятым (17) транзисторами.

«Токовое зеркало» (13) построено на первом (18) и втором (19) Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания (4), сток и затвор первого Р-МОП транзистора (18), затвор второго (19) Р-МОП транзистора соединены с входом «токового зеркала» (13), а сток второго (19) Р-МОП транзистора соединен с выходом «токового зеркала».

Краткое описание чертежей

На фигуре представлена схема высокочастотного усилителя с устройством стабилизации тока коллектора. Показаны выходной каскад и устройство стабилизации тока коллектора выходного биполярного транзистора с «токовым зеркалом» и дополнительным опорным каскадом.

Осуществление изобретения

Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора (фиг.) включает выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2); устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4); третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, устанавливающий составляющую ток коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10), причем эта составляющая тока коллектора уменьшается при саморазогреве выходного транзистора.

В устройство стабилизации тока коллектора (8) дополнительно введены: четвертый биполярный транзистор (14), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), коллектором с шиной питания (4), а эмиттером с делителем тока на основе первого (15) и второго (16) резисторов, причем второй электрод второго резистора (16) соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора (17), эмиттер которого подключен к заземленной шине (11), а второй электрод первого резистора (15) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора (2) пропорционально разности температур между первым (2) и пятым (17) транзисторами, которая возникает вследствие саморазогрева выходного транзистора.

Технический результат, представляющий собой стабилизацию коллекторного тока выходного гетероструктурного биполярного транзистора высокочастотного усилителя в условиях изменения температуры кристалла микросхемы и локального саморазогрева выходного транзистора, достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует первую составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - вторую составляющую, пропорционально разнице напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов.

С увеличением температуры выходного транзистора понижается напряжение база-эмиттер и увеличивается вторая составляющая тока базы, компенсируя тем самым уменьшение коэффициента усиления тока.

Отличительный признак технического решения состоит в разделении опорного тока на две составляющие: первая составляющая учитывает условия работы, одинаковые для опорного и выходного транзисторов; вторая составляющая учитывает разность температур опорного и выходного транзисторов, увеличивая входной ток с уменьшением коэффициента усиления тока усилительного транзистора.

Реализуемость изобретения подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы Cadence Microsystems и аттестованных моделей элементов (Tower Semiconductors).

[1] J.D. Cressler, Silicon Heterostracture Handbook, Taylor and Francis, 2006, pp.539-549.

[2] С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн./Пер. с. англ. - 2-е пер. и доп.изд. - М.: Мир, 1984. - кн. 1.

1. Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора, включающий выходной каскад на основе первого биполярного транзистора с общим эмиттером и реактивную нагрузку, включенную между коллектором первого биполярного транзистора и шиной положительного питания, причем выход усилителя подключен к коллектору первого транзистора, а вход усилителя через разделительный конденсатор подключен к базе первого биполярного транзистора, устройство стабилизации тока коллектора первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор, соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником между заземленной шиной и шиной положительного питания, третий транзистор, соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора, эмиттером с базой второго опорного транзистора, а коллектором с входом «токового зеркала», выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора и образует основной канал управления, формирующий составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора, пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника, отличающийся тем, что в устройство стабилизации тока коллектора введены дополнительно четвертый биполярный транзистор, соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора, коллектором с шиной питания, а эмиттером с делителем тока на основе первого и второго резисторов, причем второй электрод второго резистора соединен с коллектором и базой пятого биполярного транзистора, эмиттер которого подключен к общей шине питания, а второй электрод первого резистора соединен с базой первого биполярного транзистора, и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, увеличивающим ток коллектора первого биполярного транзистора пропорционально разности температур между первым и пятым транзисторами.

2. Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора гетероструктурного биполярного транзистора по п.1, отличающийся тем, что «токовое зеркало» построено на первом и втором Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания, сток и затвор первого Р-МОП транзистора, затвор второго Р-МОП транзистора соединены с входом «токового зеркала», а сток второго Р-МОП транзистора соединен с выходом «токового зеркала».

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.

Устройство защиты полосового усилителя мощности от перегрузок // 2450426

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к технике радиосвязи, и может быть использовано в полосовых усилителях мощности передатчиков радиорелейной и сотовой связи, теле- и радиовещания.

Устройство и способ усиления сигналов радиосвязи // 2438231

Изменяющийся во времени уровень звукового сигнала с использованием изменяющейся во времени оценочной плотности вероятности уровня // 2433525

Изобретение относится к области обработки звуковых сигналов. .

Устройство управления амплитудой мощных импульсных сигналов // 2429558

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиолокации, и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна.

Биполярное токовое зеркало с регулируемым коэффициентом передачи // 2422980

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и автоматики. .

Управляемый комплементарный дифференциальный усилитель // 2421897

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления.

Регулировка усиления звука с использованием основанного на конкретной громкости обнаружения акустических событий // 2417514

Изобретение относится к регулировке динамического диапазона звука. .

Обработка динамических свойств аудио с использованием перенастройки // 2413357

Изобретение относится к обработке звуковых сигналов и предназначено для перенастройки при обработке динамических свойств аудио для быстрой адаптации к изменениям контента в звуковом сигнале.

Двухканальный управляемый усилитель переменного тока // 2394364

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве усилителя переменного тока, коэффициенты передачи по напряжению которого (Kу1, Kу2) зависят от уровня сигнала управления (Uу ).

Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора // 2509407

Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к интегральным микросхемам на основе совмещенной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии. Технический результат заключается в стабильности коэффициента усиления и защите выходного транзистора усилителя от перегрева. Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - составляющую, зависящую от разницы напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов. Для этого в устройство стабилизации тока коллектора выходного транзистора введены дополнительно второй выход «токового зеркала» и дифференциальный усилитель с фильтром нижних частот. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов // 2527750

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах возбуждения СВЧ-генераторов на лавинно-пролетных диодах и диодах Ганна. Достигаемый технический результат - расширение динамического диапазона управления амплитудой выходных высоковольтных однополярных импульсов до значений, вдвое превышающих предельно допустимые напряжения коллектор-эмиттер биполярных транзисторов. Устройство управления амплитудой высоковольтных однополярных импульсов содержит два биполярных транзистора, три резистора, два полупроводникового диода, два сдвоенных переменных резистора, два конденсатора. 2 ил.

Приемник радиочастотных сигналов // 2596603

Изобретение относится к приемнику радиочастотных сигналов. Технический результат изобретения заключается в упрощении схемы приемника и уменьшении потребления тока по сравнению с известными аналогами. Приемник (1), по меньшей мере, одного радиочастотного модулированного сигнала, поступающего с антенны (101), внешней по отношению к приемнику, содержит первый каскад (103) для малошумящего усиления радиочастотного модулированного сигнала и каскад (106) демодуляции вышеупомянутого сигнала. Приемник содержит фильтр (104) SAW, приспособленный для действия в качестве полосового фильтра около предварительно определенной частоты для сигнала, поступающего с первого каскада, логарифмический усилитель (105), приспособленный для усиления сигнала, поступающего с фильтра SAW, пиковый детектор (402) выходного сигнала логарифмического усилителя, средство (203), приспособленное для регулирования коэффициента усиления первого каскада (103) для усиления радиочастотного модулированного сигнала в зависимости от выходного сигнала (Vopeak) пикового детектора. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Контроллер выравнивателя громкости и способ управления // 2612728

Изобретение относится к электронике, в частности к средствам корректировки громкости звукового сигнала. Устройство содержит классификатор для идентификации типа содержимого звукового сигнала, регулирующий блок для регулировки громкости в непрерывном режиме. Регулирующий блок выполнен с возможностью положительной корреляции коэффициента динамического усиления выравнивателя громкости с типами информативного содержимого звукового сигнала и отрицательной корреляции коэффициента динамического усиления выравнивателя громкости с типами мешающего содержимого звукового сигнала. При этом классификация выполняется посредством вычисления весовых коэффициентов от величин достоверности с учетом важности информации. Устройство также содержит усилитель диалога, виртуализатор окружающего звука, выравниватель громкости, эквалайзер, блоки сглаживания типа и параметра, таймер. Классификатор содержит классификатор звукового содержимого и классификатор контекста. Классификатор содержимого состоит из выделителя кратковременных признаков объектов и кратковременного классификатора. Классификатор контекста включает в себя выделитель статистических данных и долговременный классификатор. Усилитель диалога содержит блок отслеживания минимума сигнала. Технический результат – повышение ясности и разборчивости аудиоконтента. 4 н. и 56 з.п. ф-лы, 41 ил., 2 табл.