ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА ГЕТЕРОСТРУКТУРНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
HIGH-FREQUENCY AMPLIFIER WITH DEVICE FOR STABILISING COLLECTOR CURRENT OF HETEROSTRUCTURE BIPOLAR TRANSISTOR

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.
«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». Отсутствие входных токов у МОП-транзисторов улучшает точность формирования выходного тока «токового зеркала».
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.