ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ КОРРЕКЦИИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
BROADBAND DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH CORRECTION DEVICE OF ELECTROTHERMAL COUPLING IN BIPOLAR TRANSISTORS

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники и электроники, в частности к интегральным микросхемам на основе технологии с гетероструктурными биполярными транзисторами с использованием слоев твердого раствора SiGe (кремний-германий).
Уровень техники
Ограничения технологии со слоями кремний-германий не позволяют использовать быстродействующие биполярные p-n-p-транзисторы [1]. В структуре микросхемы используются биполярные n-p-n-транзисторы, полевые КМОП-транзисторы и поликремневые резисторы.
Специально для технологии со слоями кремний-германий разработаны электрические схемы дифференциальных и широкополосных усилителей без применения p-n-p-транзисторов.
Российские патенты на изобретения RU 2421888 (2011 г.), RU 2421890 (2011 г.), RU 2421894 (2011 г.), RU 2421891 (2011 г.) содержат технические решения, обеспечивающие работу усилителей в широком диапазоне частот с компенсацией температурных эффектов и технологических отклонений параметров. Однако нигде не учитывается разность температур отдельных транзисторов, вызванная их саморазогревом. В обычных кремниевых микросхемах разница в саморазогреве транзисторов не превышает 2-4К.
В гетероструктурных микросхемах разница температур n-p-n-транзисторов на одном кристалле может достигать 40К. В рабочем диапазоне температур напряжение база-эмиттер уменьшается на 0,5% при увеличении температуры на 1К. Постоянная времени саморазогрева транзистора около 1 мкс. Саморазогрев создает положительную обратную связь и гистерезис передаточной характеристики усилителя на частотах ниже десяти мегагерц, что приводит к нелинейным искажениям сигналов. В широкополосных усилителях с использованием гетероструктурных n-p-n-транзисторов необходимо учитывать связь электрических и тепловых параметров элементов.
Наиболее близким аналогом можно считать техническое решение, описанное в патенте RU 2421894 и опубликованное в 2011 году. В этом решении присутствует входной дифференциальный каскад и каскад активной нагрузки. В предложенной схеме использованы только n-p-n-транзисторы и резисторы. Блок коррекции параметров входных транзисторов отсутствует.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является снижение нелинейных искажений выходного сигнала широкополосного дифференциального усилителя путем введения устройства коррекции, учитывающего связь электрических и тепловых параметров входных биполярных транзисторов. Технический результат, позволяющий достичь поставленной задачи, состоит в снижении нелинейных искажений выходных сигналов широкополосного усилителя в диапазоне частот 100 кГц - 10 МГц.
Согласно изобретению этот технический результат достигается за счет того, что в широкополосном дифференциальном усилителе с устройством коррекции электротермической связи в биполярных транзисторах (см. чертеж), включающем первый (1) и второй (2) входные биполярные транзисторы с объединенными эмиттерами, токостабилизирующий двухполюсник (3), включенный между объединенными эмиттерами входных транзисторов и первой шиной питания (4), каскад активной нагрузки (5), соединенный первым входом (6) с коллектором второго входного транзистора (2), а вторым входом (7) - с коллектором первого входного транзистора (1), выход каскада активной нагрузки (8) является выходом широкополосного усилителя, а базовые выводы первого (1) и второго (2) входных транзисторов являются первым и вторым входами усилителя соответственно, к первому (6) и второму (7) входам каскада активной нагрузки дополнительно подключены соответственно первый (9) и второй (10) входы устройства коррекции (11), которое включает входной каскад фильтра нижних частот (12), дифференциальный усилительный каскад (13) и каскад перераспределения токов (14); фильтр нижних частот (12) содержит первый (15) и второй (16) ограничительные резисторы, подключенные первым электродом к первому и второму входам усилителя, а вторым электродом - к затворам первого (17) и второго (18) МОП-транзисторов дифференциального усилительного каскада (13) соответственно, фильтр (12) также содержит конденсатор (19), включенный между затворами первого (17) и второго (18) МОП-транзисторов, которые истоками соединены со стоком третьего МОП-транзистора (20), а стоками - с первым (9) и вторым (10) выходами устройства коррекции (11) соответственно, третий МОП-транзистор (20) истоком подключен к первой шине питания (4), стоком - к затвору пятого МОП-транзистора (21), входящих в состав каскада перераспределения токов (14), содержащего также пятый (21), шестой (22), седьмой (23) и восьмой (24) МОП-транзисторы противоположного типа проводимости, причем четвертый МОП-транзистор (25) истоком соединен с первой шиной питания (4), а затвором и стоком подключен к стоку седьмого МОП-транзистора (23), пятый МОП-транзистор (21) соединен стоком с первой шиной питания (4), истоком - с катодом биполярного диода (26), который анодом через третий резистор (27) соединен со стоком и затвором шестого МОП-транзистора (22), также с затворами седьмого (23) и восьмого (24) МОП-транзисторов, причем истоки шестого, седьмого и восьмого МОП-транзисторов подключены ко второй шине питания (28), а сток восьмого МОП-транзистора (24) соединен с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов.
Краткое описание чертежей
На чертеже представлена схема широкополосного дифференциального усилителя с устройством коррекции электротермической связи в биполярных транзисторах. Выделены устройство коррекции, входной каскад фильтра нижних частот, дифференциальный усилительный каскад, каскад перераспределения токов.
Осуществление изобретения
Широкополосный дифференциальный усилитель с устройством коррекции электротермической связи в биполярных транзисторах (см. чертеж) включает первый (1) и второй (2) входные биполярные транзисторы с объединенными эмиттерами, токостабилизирующий двухполюсник (3), который включен между объединенными эмиттерами входных транзисторов и первой шиной питания (4), каскад активной нагрузки (5), соединенный первым входом (6) с коллектором второго входного транзистора (2), а вторым входом (7) - с коллектором первого входного транзистора (1), выход каскада активной нагрузки (8) является выходом широкополосного усилителя, а базовые выводы первого (1) и второго (2) входных транзисторов являются первым и вторым входами усилителя соответственно. К первому (6) и второму (7) входам каскада активной нагрузки (5) дополнительно подключены соответственно первый (9) и второй (10) входы устройства коррекции (11), которое включает входной каскад фильтра нижних частот (12), который выделяет частотные составляющие, влияющие на разницу температур входных биполярных транзисторов, дифференциальный усилительный каскад (13), который формирует низкочастотный сигнал коррекции выходного тока, уменьшая ток в нагрузке «горячего» транзистора и увеличивая ток в нагрузке «холодного» транзистора, и каскад перераспределения токов (14), который уменьшает ток входного каскада и увеличивает ток усилительного корректирующего каскада при снижении синфазной составляющей входного сигнала и увеличении напряжения коллектор-база входных биполярных транзисторов, причем суммарный ток в нагрузке остается постоянным.
Фильтр нижних частот (12) содержит первый (15) и второй (16) ограничительные резисторы, подключенные первым электродом к первому и второму входам усилителя, а вторым электродом - к затворам первого (17) и второго (18) МОП-транзисторов дифференциального усилительного каскада (13) соответственно, фильтр (12) также содержит конденсатор (19), включенный между затворами первого (17) и второго (18) МОП-транзисторов, которые истоками соединены со стоком третьего МОП-транзистора (20), а стоками - с первым (9) и вторым (10) выходами устройства коррекции соответственно, третий МОП-транзистор (20) истоком подключен к первой шине питания (4), стоком - к затвору пятого МОП-транзистора (21), входящих в состав каскада перераспределения токов (14), содержащего также пятый (21), шестой (22), седьмой (23) и восьмой (24) МОП-транзисторы противоположного типа проводимости, причем четвертый МОП-транзистор (25) истоком соединен с первой шиной питания (4), а затвором и стоком подключен к стоку седьмого МОП-транзистора (23), пятый МОП-транзистор (21) соединен стоком с первой шиной питания (4), истоком - с катодом биполярного диода (26), который анодом через третий резистор (27) соединен со стоком и затвором шестого МОП-транзистора (22), также с затворами седьмого (23) и восьмого (24) МОП-транзисторов, причем истоки шестого (22), седьмого (23) и восьмого (24) МОП-транзисторов подключены ко второй шине питания (28), а сток восьмого МОП-транзистора (24) соединен с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов.
Технический результат достигается за счет того, что разница входных токов входного каскада, вызванная большим разогревом одного из входных транзисторов, компенсируется блоком коррекции. При этом сигнал коррекции учитывает инерционный процесс саморазогрева. Величина эффекта саморазогрева и тока коррекции зависят от синфазной составляющей входного сигнала. Суммарная величина выходных токов входного каскада и блока коррекции не зависит от синфазной составляющей входного сигнала, что позволяет стабилизировать уровень выходного сигнала дифференциального усилительного каскада. Изобретение предназначено для расширения рабочего диапазона частот микросхем широкополосных усилителей, реализованных на основе гетероструктурных биполярных транзисторов, и позволяет уменьшить нижнюю границу рабочих частот до уровня статического режима.
Необходимое соотношение токов входного и корректирующего каскадов определяется в процессе моделирования, учитывающего саморазогрев биполярных транзисторов и его влияние на электрические параметры. При подготовке материалов заявки использовалась электротепловая модель биполярного транзистора bit504t. Реализуемость изобретения подтверждается результатами проектирования широкополосного усилителя с использованием аттестованных производителем (Tower Semiconductors) моделей элементов, проверенного типового маршрута проектирования и средств САПР фирмы Cadence Microsystems.
1. John D. Cressler. Silicon Heterostructure Handbook, CRC Press, 2005.