Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Авторы патента:

Будяков Петр Сергеевич (RU)

Бугакова Анна Витальевна (RU)

Бутырлагин Николай Владимирович (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

H03F3/00 - Усилители, имеющие в качестве усилительных элементов только электронные или только полупроводниковые приборы

Владельцы патента RU 2568316:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

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 f_в) 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 (f_в, по уровню - 3 дБ) таких «перегнутых» КУ оказывается во многих случаях недостаточно высокой. Это связано с отрицательным влиянием на f_в емкостей коллектор-база (C_кб) 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 (f_в). Численные значения f_в 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 f_в) 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 K_i 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 (C_кб.5) и второго 8 (c_кб.8) выходных транзисторов. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:

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

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

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

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

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

Ток передается через второе 17 токовое зеркало в эмиттерную (), а затем в коллекторную цепь транзистора 5 (I_к5). 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;

K_i17 - коэффициент передачи по току второго 17 токового зеркала.

Как следствие, эквивалентная постоянная времени τ_в12, 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, K_i17=1, C_кб.8= C_кб.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 f_в12 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.

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.

Избирательный усилитель на основе планарной индуктивности с низкой добротностью // 2566954

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.

Широкополосный усилитель мощности коротковолнового диапазона // 2550561

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.

Ключевой усилитель мощности // 2542879

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.

Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей // 2541843

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

Устройство линейного усиления сигнала с амплитудной и фазовой модуляцией с использованием нелинейных усилителей // 2541842

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.

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки // 2538324

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

Широкополосный усилитель мощности // 2527202

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.

Зарядочувствительный предусилитель // 2526756

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.

Измерительный усилитель с резонансной амплитудно-частотной характеристикой // 2523953

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.

Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот // 2568780

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.

Дифференциальный усилитель на основе радиационно-стойкого биполярно-полевого технологического процесса для работы при низких температурах // 2571399

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.

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном // 2571400

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.

Прецизионный операционный усилитель для радиационно-стойкого биполярно-полевого техпроцесса // 2571579

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.

Двойной каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот // 2572375

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.

Симметричная активная нагрузка дифференциальных усилителей для биполярно-полевых радиационно-стойких технологических процессов // 2572380

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.

Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном // 2572388

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.

Биполярно-полевой операционный усилитель // 2583760

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.

Система для усиления сигналов, генерируемых спутниковым блоком генерации сигнала // 2592749

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.

Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода // 2595923

Изобретение относится к области радиоэлектроники в качестве быстродействующего устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в обеспечении более высоких уровней выходного тока «перегнутого каскода», это повышает быстродействие ОУ в режиме большого сигнала, уменьшает время установления переходного процесса. Усилитель содержит входные полевые транзисторы, токостабилизирующий двухполюсник, выходной транзистор, которые подключены к входному полевому транзистору, причем первый выходной транзистор через токостабилизирующий двухполюсник связан со второй шиной источника питания, второй выходной транзистор соединен с первым входным полевым транзистором и через третий токостабилизирующий двухполюсник связан со второй шиной источника питания, цепь динамической нагрузки, согласованную с первой шиной источника питания. В схему введены дополнительные полевые транзисторы, дополнительные биполярные транзисторы. 4 ил.