ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ МУЛЬТИДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
HIGH FREQUENCY MULTIDIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, драйверах линий связи, фильтрах и т.д.).
Известны высокочастотные усилители на основе каскадов с токовым (эмиттерным) входом [1-20], которые стали основой построения многих высокочастотных аналоговых узлов современных систем связи. Проблема улучшения их параметров относится к числу одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.
В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинают использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии SGB25VD, способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако технология SGB25VD накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы
кэ.max
(U=2,9 B или напряжение двуполярного питания ±1,5 В). Создание IP блоков для SiGe технологии SGB25VD является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем. Предлагаемое изобретение относится к данному направлению развития микроэлектроники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический высокочастотный усилитель (ВУ) (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США №2005/0218994, который содержит первое токовое зеркало 1, токовый выход 2 которого подключен к первой цепи нагрузки 3, токовый вход 4 соединен с двухполюсником опорного тока 5, а общий эмиттерный вход 6 связан с первым источником входного сигнала 7.
4
вх
7
4
4
Важную роль в работе схемы фиг.1 играет конденсатор С. Он обеспечивает под действием сигнала u=u приращение тока i через емкость С, а также передачу тока
2
4
вх
i=i в цепь нагрузки 3, что является необходимым условием усиления u.
4
Однако конденсатор C сужает частотный диапазон известного устройства, не позволяет получить усиление ВУ по напряжению на частотах, меньших чем ,
э
где r - сопротивление эмиттерного перехода транзистора, образующего входную цепь 4 первого токового зеркала 1.
К числу недостатков известного ВУ относится также отсутствие в схеме фиг.1 дифференциального входа, что существенно снижает его функциональные возможности.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении частотного диапазона усилителя при сохранении его свойств как усилителя с токовым (низкоомным) входом. Дополнительная цель - построение структуры ВУ с двумя и более низкоомными дифференциальными входами, работоспособной при ее выполнении в рамках техпроцесса SGB25VD. Это существенно расширит функциональные возможности ВУ, позволит создавать на его основе аналоговые интерфейсы нового поколения.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве фиг.1, содержащем первое токовое зеркало 1, токовый выход 2 которого подключен к первой цепи нагрузки 3, токовый вход 4 соединен с двухполюсником опорного тока 5, а общий эмиттерный вход 6 связан с первым источником входного сигнала 7, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено N≥1 дополнительных токовых зеркал (8.1, 8.2, …, 8.N), токовые входы которых (9.1, 9.2, …, 9.N) соединены с токовым входом 4 первого токового зеркала 1, а общие эмиттерные входы (10.1, 10.2, …, 10.N) связаны с дополнительными источниками входных сигналов (11.1, 11.2, …, 11.N).
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема ВУ, соответствующая п.3 и п.4 формулы изобретения.
На фиг.4 в среде Cadance (модели IHP) представлена схема заявляемого высокочастотного усилителя для случая, когда он имеет два входа (N=1), а на фиг.5-7 - его частотные характеристики. Причем зависимости фиг.5 сняты для инвертирующего и неинвертирующего выходов ВУ фиг.4, а график фиг.5 снят для дифференциального выхода ВУ фиг.4.
вх
у
Анализ фиг.5-7 показывает, что предлагаемый ВДУ является дифференциальным усилителем и обеспечивает, в отличие от прототипа, передачу дифференциального сигнала u с усилением K=30 дБ в диапазоне частот 0-26 ГГц.
Предлагаемый высокочастотный мультидифференциальный усилитель содержит первое токовое зеркало 1, токовый выход 2 которого подключен к первой цепи нагрузки 3, токовый вход 4 соединен с двухполюсником опорного тока 5, а общий эмиттерный вход 6 связан с первым источником входного сигнала 7. В схему введено N≥1 дополнительных токовых зеркал (8.1, 8.2, …, 8.N), токовые входы которых (9.1, 9.2, …, 9.N) соединены с токовым входом 4 первого токового зеркала 1, а общие эмиттерные входы (10.1, 10.2, …, 10.N) связаны с дополнительными источниками входных сигналов (11.1, 11.2, …, 11.N).
В устройстве по п.2 формулы изобретения (фиг.2) токовые выходы (12.1, 12.2, …, 12.N) дополнительных токовых зеркал (8.1, 8.2, …, 8.N) связаны с дополнительными цепями нагрузки (13.1, 13.2, …, 13.N).
В устройстве по п.3 формулы изобретения (фиг.3) токовые выходы (12.1, 12.2, …, 12.N) дополнительных токовых зеркал (8.1, 8.2, …, 8.N) связаны с токовым выходом 2 первого токового зеркала 1.
В устройстве по п.4 формулы изобретения (фиг.3) коэффициент передачи по току дополнительных токовых зеркал (8.1, 8.2, …, 8.N) меньше, чем коэффициент передачи по току первого токового зеркала 1, что обеспечивается соответствующим выбором площадей эмиттерных переходов их транзисторов.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
Статический режим схемы фиг.2 устанавливается (при нулевых напряжениях
7
10.1
10.N
u=u…=u=0) двухполюсником опорного тока 5. При идентичных токовых зеркалах 1, 8.1…8.N через входные цепи 6, 10.1…10.N каждого из источников входного сигнала 7, 11.1…11.N протекает статический ток
где N≥1 - число дополнительных токовых зеркал 8.1…8.N.
Рассмотрим вначале работу на переменном токе ВУ фиг.2 при N=1, т.е. для случая, когда в схеме фиг.2 имеется два входа 6 и 10.1.
7
10.1
c
c
c
Если на входы 6 и 10.1 подаются одинаковые напряжения (u=u=u), то есть имеется синфазный сигнал u, то это приводит к изменению на величину u напряжения на двухполюснике 5
c
При этом токи в эмиттерах транзисторов схемы не изменяются, что обеспечивает «нулевую» передачу синфазного сигнала u на выходы 2 и 12.1.
10.1
7
4
2
Если u=0, a u≠0, то это приводит к появлению токов i и i, обусловленных дифференциальным сигналом ВУ фиг.2:
э1
э8.1
где r, r - дифференциальные сопротивления эмиттерного перехода входного транзистора первого токового зеркала 1 и входного транзистора дополнительного токового зеркала 8.1;
э1
i - входной ток дополнительного токового зеркала 8.1.
Поэтому ток в цепи нагрузки 13.1, создающий на эквивалентном сопротивлении выхода  усиленное выходное напряжение , равен
Как следствие
где  - комплекс выходного напряжения ВУ по выходу 12.1;
- комплекс коэффициента усиления ВУ по напряжению, причем
Следует, однако, отметить, что фаза напряжения на выходе 12.1 противоположна фазе напряжения на выходе 2. Таким образом, схема фиг.2 имеет свойство классического дифференциального каскада - наличие двух противофазных выходов, напряжение на которых зависит от разности двух входных напряжений.
10.1
э
10.1
Если на вход 10.1 подается напряжение u, a u=0, то схема фиг.2 также обеспечивает преобразование u в два противофазных сигнала. При этом выход 12.1 становится неинвертирующим относительно входа 10.1, а выход 2 - инвертирующим.
7
10.1
вх
7
10.1
вх
В тех случаях, когда u≠0, u≠0, но разность u=u-u достаточно мала, схема фиг.2 обеспечивает преобразование этой разности u в выходное напряжение ВУ.
Таким образом, при N=1 схема фиг.2 обладает всеми свойствами двухвходового дифференциального каскада (ДК). Однако, в отличие от классических ДК, ее частотный диапазон в 5-10 раз лучше.
Если N=2, то схема фиг.2 имеет три входа и три выхода, а также обеспечивает для каждого из выходов 2, 12.1 и 12.2 усиление разности трех векторов напряжения (комплексов , , ). Необходимость в построении так называемых векторных мультивходовых усилителей обоснована в патентной заявке США №2007/0024359 А1.
7
12.1
В частном случае выходы 2, 12.1, 12.2 и др. могут быть объединены (фиг.3). Последняя схема позволяет осуществлять нелинейные преобразования входных напряжений u и u (их «смешение», перемножение, управление усилением и т.д.). При этом конкретные свойства такого нелинейного преобразователя (фиг.3) зависят от коэффициента усиления по току дополнительных токовых зеркал 8.1, 8.2 и др., которые определяются соотношением площадей эмиттерных переходов транзисторов.
у
Компьютерное моделирование (фиг.6) показывает, что предлагаемый дифференциальный усилитель обеспечивает усиление по напряжению K>1 до частоты 26 ГГц по инвертирующему и неинвертирующему выходам.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение позволяет использовать СВЧ SiGe-транзисторы техпроцесса SGB25VD с относительно низким напряжением питания 2,9 В в структуре не только различных аналоговых устройств, но и СФ блоков систем на кристалле. Этот важный результат расширяет область практического использования SGB25VD технологии и, следовательно, повышает технико-экономические показатели микроэлектронных изделий. Так, например, создание новой (под указанную технологию) схемотехники широкодиапазонных операционных усилителей позволит не только повысить качественные показатели СВЧ-фильтров, квадратурных модуляторов, демодуляторов и других устройств нового поколения, образующих СФ блоки СВЧ РЭА, так и создать новую номенклатуру ИС широкого функционального применения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6621308.
2. Патент США №6639473 (фиг.2).
3. Патент США №5900779.
4. Патент США №5973562.
5. Патент США №4887047.
6. Патент США №3972003.
7. Патент США №4521739.
8. Патент США №4277756.
9. Патент США №6181207.
10. Патент США №4065724.
11. Патент RE 30.587.
12. Патент США №6882224.
13. Патент США №4232271.
14. Патент США №5345073.
15. Патентная заявка США №2005/0140443.
16. Патентная заявка США №2005/0140444.
17. Патент Франции №2337969.
18. Патент Японии № JP 2001308658.
19. Авт. св. СССР №711665.
20. Авт. св. СССР №1084961.