КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
CASCODE AMPLIFIER WITH PARAPHASE OUTPUT

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, СВЧ-усилителях, фазорасщипителях сигналов и т.п.).
Широкое применение СВЧ дифференциальных сигналов в современной микроэлектронике позволяет снизить влияние синфазных помех, нелинейных искажений четного порядка, повысить качество обработки сигналов при низких значениях напряжения питания. Применение дифференциальных сигналов часто сопровождается необходимостью преобразования их в однофазный сигнал и обратно, так как большинство периферийных устройств могут работать лишь с однофазными сигналами. Для выполнения таких преобразований служат специальные симметрирующие устройства, так называемые балуны (balanced to unbalanced). Балуны наиболее часто применяются при построении усилителей мощности, смесителей и аналоговых перемножителей. Заявляемое устройство может быть отнесено к данному классу транзисторных каскадов, выполняющих функции не только фазорасщепителей, но и усиления сигналов.
Известны схемы каскодных усилителей с парафазным выходом, в которых эмиттеры входных транзисторов подключены к общей шине источника питания [1-12]. Однако они не обеспечивают преобразование однофазного сигнала в два противофазных и в этом смысле являются псевдодифференциальными усилителями, требующими два противофазных входных напряжения.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является каскодный усилитель, описанный в патентной заявке США 2005/0174175 (фиг.1), содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых подключены к шине источника питания 3, источник входного сигнала 4, связанный с базой первого 1 входного транзистора, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объеденными базами, коллекторы которых соединены с первой 7 и второй 8 цепями нагрузки, а эмиттеры подключены к коллекторам соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
вх
вх
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что оно не обеспечивает преобразование однофазного входного сигнала u в два противофазных, т.е. не является классическим дифференциальным усилителем, для которого напряжения на каждом из выходах пропорционального u.
вх
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении двух выходных противофазных напряжений, пропорциональных входному напряжению u.
Поставленная задача достигается тем, что в каскодном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых подключены к шине источника питания 3, источник входного сигнала 4, связанный с базой первого 1 входного транзистора, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объединенными базами, коллекторы которых соединены с первой 7 и второй 8 цепями нагрузки, а эмиттеры подключены к коллекторам соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные транзисторы, базы которых подключены к базам соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттеры связаны с шиной источника питания 3, коллекторы объединены и через согласующий двухполюсник 11 связаны с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, которые подключены к дополнительному источнику опорного тока 12, причем эмиттер первого выходного транзистора 5 связан с базой первого входного транзистора 1 через первый 13 дополнительный резистор, а эмиттер второго выходного транзистора 6 связан с базой второго входного транзистора 2 через второй дополнительный резистор 14.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
у
На фиг.3 показана схема заявляемого КУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.4 - зависимость его разности фаз между каналами и К от частоты.
На фиг.5 показана схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadense на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.6 - зависимость коэффициентов усиления для диффренциального выхода, а также для первого (out1) и второго (out2) выходов от частоты. График фиг.7 показывает зависимость фазового сдвига для первого и второго выходов от частоты.
Каскодный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых подключены к шине источника питания 3, источник входного сигнала 4, связанный с базой первого 1 входного транзистора, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы с объединенными базами, коллекторы которых соединены с первой 7 и второй 8 цепями нагрузки, а эмиттеры подключены к коллекторам соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, отличается тем, что в схему введены первый 9 и второй 10 дополнительные транзисторы, базы которых подключены к базам соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттеры связаны с шиной источника питания 3, коллекторы объединены и через согласующий двухполюсник 11 связаны с объединенными базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, которые подключены к дополнительному источнику опорного тока 12, причем эмиттер первого 5 выходного транзистора связан с базой первого 1 входного транзистора через первый 13 дополнительный резистор, а эмиттер второго 6 выходного транзистора связан с базой второго 2 входного транзистора через второй 14 дополнительный резистор. Источник входного сигнала 4 соединен с базой первого 1 входного транзистора 1 через первый 15 разделительный конденсатор. Аналогично второй источник сигнала может подключаться к схеме через второй 16 разделительный конденсатор.
Рассмотрим работу устройства фиг.2.
12
Статический режим схемы фиг.2 устанавливается дополнительным источником опорного тока 12 (I):
вх
вх
Рассмотрим вначале работу схемы фиг.2 при подаче на левый вход (Вх.1) положительной полуволны входного сигнала u. Изменение u. приводит к увеличению эмиттерных токов транзисторов 1, 9, 5:
эi
где r - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 1 и 9.
вх
При этом передачей u в эмиттер транзистора 5 можно пренебречь, особенно при относительно больших сопротивлениях дополнительного резистора 13.
12
9
э5
Как следствие, уменьшается напряжение на дополнительном источнике опорного тока 12 u≈u≈u, которое передается в эмиттер транзистора 6 и далее через второй дополнительный резистор 14 на базу транзистора 2:
б2
э9
э10
Напряжение u запирает транзисторы 2 и 10 так, что приращения токов i+i=0, т.е. в схеме фиг.2:
к5
э1
к6
э2
Таким образом, в схеме фиг.2 токи коллекторов транзисторов 5 и 6 противофазны: i≈i, i≈i.
вых.1
вых.2
Следовательно, противофазны и выходные напряжения u и u.
Данные теоретические выводы соответствуют результатам компьютерного моделирования схем фиг.3 и 5, представленных графиками фиг.4-7.
Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции СВЧ-усилителя, обеспечивающего преобразование в диапазоне частот до 12÷18 ГТц. однофазного сигнала в два противофазных. Данная функция в усилителе - прототипе не реализуется.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка США № 2005/0174175 fig 2 - прототип.
2. Патент EP № 1480333.
3. Патент WO № 03/084054.
4. Патент США № 6682223.
5. Патент США № 6615547.
6. Патентная заявка США № 2006/0049874.
7. Патентная заявка США № 2006/0071712 A.
8. Патент США № 5990741, fig 3.
9. Патентная заявка США № 2005/134387.
10. Патент США № 7088185.
11. Патентная заявка США № 2007/0290754, fig 1.
12. Патентная заявка США № 2008/0309411, fig 1.