Каскодный усилитель типа общий сток - общая база
CASCODE AMPLIFIER OF TYPE GENERAL DRAIN - GENERAL BASE

Изобретение относится к радиоэлектронике и может быть использовано в качестве базового схемного узла в специализированных устройствах приемопередачи радиосигналов, в схемах специализированных усилителей постоянного тока (УПТ) и других схемах преобразования сигналов с пониженным электропитанием.
Известны схемы операционных усилителей с полевыми транзисторами в паре с биполярными в составе каскодной схемы на входах. Например, в схеме операционного усилителя (ОУ) фирмы Analog Devices типа ADA4610 в первом каскаде усиления в составе дифференциального усилителя (ДУ) постоянного тока неявно применена схема каскодного усилителя (каскода) типа «Общий сток - Общая база» (ОС-ОБ), состоящего из входного полевого транзистора типа JFet с каналом р-типа, исток которого нагружен эмиттерным переходом биполярного транзистора n-р-n-типа. Так как оба каскода ОС-ОБ работают параллельно в составе ДУ, их стоки соединены вместе и нагружены на эмиттерный повторитель. Коллекторы n-р-n транзисторов обоих каскодов имеют нагрузкой идентичные ветви токового зеркала, что обусловливает высокий коэффициент усиления первого каскада ОУ. Такое включение в составе УПТ не снижает напряжение питания и не позволяет выявить свойства отдельного каскада такого типа и оценить его применение в обозначенных целях в сфере радиосвязи.
Известна схема каскодного усилителя, примененного в усилителе высокой частоты приемника прямого усиления (Журнал «Радио», №№7, 8 за 1981 г. Ю. Степанян «Блок ВЧ приемника прямого усиления»). Каскодный усилитель типа ОК-ОБ состоит из двух биполярных транзисторов разной проводимости, эмиттеры которых соединены накоротко, что позволило исключить из эмиттерных цепей низкоомные резисторы и дало хорошую чувствительность при снижении энергопотребления. Поскольку второй транзистор каскодного усилителя имеет заземление базы по высокой частоте, эффект Миллера устранен, устройство стабильно и не склонно к самовозбуждению. Недостатками данной схемы можно считать относительно высокий нижний предел напряжения питания, необходимость дополнительных схемных элементов для создания режимов работы обоих транзисторов по постоянному току и связи между каскадами, нерешенность задачи автоматической регулировки усиления, а также зависимость входного сопротивления каскода от тока питания, и, следовательно, от усиления.
Известна схема каскодного усилителя типа ОС-ОБ (Горошков Б. И. Радиоэлектронные устройства: Справочник. - М.: Радио и связь, 1984, с. 95, рис. 2.43в), состоящего из р-канального полевого транзистора с р-n переходом и биполярного транзистора n-р-n-типа, база которого соединена с общим проводом, а коллектор - через нагрузку Rн - с плюсом питания. Исток полевого транзистора соединен с минусом питания, а на затвор подается входное напряжение. Эффект Миллера при таком включении является несущественным, а использование полевого транзистора с р-n переходом в качестве входного позволяет снизить минимальные напряжения питания схемы. Недостатком данной схемы является необходимость дополнительных элементов для создания режимов работы транзисторов по постоянному току и разделения каскадов по постоянному току (данные элементы в источнике отсутствуют, но в их отсутствие схема неработоспособна; формат справочника позволяет не показывать дополнительные элементы на схемах). Кроме того, в схеме не предусмотрена автоматическая регулировка усиления.
Предлагаемое изобретение направлено на создание каскодного усилителя с пониженным электропитанием, совместимого по напряжению питания с современными микропроцессорами, универсального для построения других специальных схем преобразования сигналов без необходимости подбора используемых полевых транзисторов по напряжению отсечки и начальному току.
Техническим результатом изобретения является упрощение каскадирования и возможность управления усилением с помощью встроенного в АРУ интеллекта без усложнения источника питания.
Указанный технический результат достигается каскодным усилителем, содержащим n - канальный полевой транзистор с р-n переходом и биполярный транзистор p-n-р типа, эмиттер которого соединен накоротко с истоком полевого транзистора, а коллектор через нагрузку гальванически соединен с минусом питания, причем сток нолевого транзистора соединен с общим проводом, в котором, в отличие от прототипа, затвор полевого транзистора через импеданс входной цепи гальванически соединен с минусом питания, а база биполярного транзистора соединена с источником напряжения смещения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена электрическая схема каскодного усилителя типа ОС-ОБ, на фиг. 2 - пример каскадирования схемы фиг. 1.
Каскодный усилитель (фиг. 1) содержит n-канальный полевой транзистор с р-n переходом 1, биполярный транзистор p-n-р типа 2, импеданс нагрузки в его коллекторной цепи 3 (резистивный, индуктивный или параллельный колебательный контур) и импеданс входной цепи 4.
Усилитель (фиг. 1) работает следующим образом. На затвор полевого транзистора 1, служащий входом усилителя, подается сигнал источника с нулевой постоянной составляющей напряжения (от вторичной обмотки согласующего трансформатора, индуктивности антенной цепи или параллельного колебательного контура). Нагрузкой каскада с общим стоком (истокового повторителя) на n-канальном полевом транзисторе с р-n переходом 1 является переход эмиттер-база биполярного транзистора 2 р-n-р типа, включенного по схеме с общей базой. Его база подключена к источнику базового смещения Есм. В зависимости от напряжения источника питания и выбора смещения базы транзистора 2 транзистор 1 может работать на любом участке его вольтамперной характеристики (ВАХ), вплоть до начала ВАХ, где он работает как переменное сопротивление, управляемое потенциалом затвора. В любом случае ток транзистора 1, а следовательно, и транзистора 2, определяется пересечением нагрузочной кривой (ветвь входной характеристики каскада с общей базой) с соответствующей ветвью ВАХ транзистора 1. Таким образом, коэффициент усиления каскада определяется формулой: K=S*Z*α; где α=1-1/β, S - крутизна ВАХ транзистора 1 в точке пересечения ВАХ, Z - импеданс нагрузки для частоты сигнала, а β - усиление для малого сигнала по току транзистора 2. Напряжение смещения базы транзистора 2 управляет режимом усилителя. Повышение этого напряжения смещает рабочую точку полевого транзистора 1 в начало ВАХ, снижая ток стока, коэффициент усиления и напряжение на стоке. При этом повышается входное и выходное сопротивление и снижается уровень собственных шумов полевого транзистора. Таким образом, предлагаемая схема каскодного усилителя позволяет путем выбора напряжения смещения базы снижать шумовые характеристики схемы.
На фиг. 2 показан пример каскадного соединения трех каскодных усилителей типа ОС-ОБ. Для первого каскада импедансом входной цепи является параллельный LC-контур, состоящий из емкости С и индуктивности L, сопротивлением нагрузки - параллельное соединение индуктивности L1 и входного сопротивления следующего каскада. Для второго и последующего каскадов импедансом входной цепи является параллельное соединение выходной цепи предыдущего каскада и индуктивности L2. Нагрузкой последнего каскада является индуктивность Li, индуктируемая активным сопротивлением нагрузки R. Как следует из схемы фиг. 2, высокое входное и выходное сопротивление каскода, а также низкое сопротивление истока и эмиттерного перехода транзисторов обеспечивают возможность секционного экранирования каскадов с разделением транзисторов одного каскада по низкоомной цепи исток - эмиттер, с объединением транзисторов соседних каскадов в одной секции экрана по высокоомным точкам выхода и входа. Это позволяет легко избежать самовозбуждения, когда нужна большая чувствительность приема. В предложенной схеме каскадирования индуктивности могут быть заменены полосовыми LC-фильтрами или параллельными LC-контурами.
Указанный технический результат достигается в изобретении благодаря следующему.
Поскольку р-n переход полевого транзистора смещен закрывающим потенциалом затвора, постоянная составляющая напряжения коллектор-эмиттер транзистора 2 находится в области от напряжения его насыщения до напряжения отсечки транзистора 1, следовательно, при соответствующем выборе типа транзистора 1 каскод ОС-ОБ может работать, начиная с напряжения питания в 1 В или менее в случае германиевого биполярного транзистора 2.
Выбор рабочего режима схемы с помощью напряжения смещения базы транзистора 2 позволяет в пределах типа транзистора 1 достигать нужных параметров схемы, что может быть также просто сделано заменой напряжения смещения базы напряжением системы автоматической регулировки усиления. Простота каскадирования и управления усилением демонстрируется схемой фиг. 2.
Снижение шумовых характеристик схемы достигается выбором напряжения смещения базы биполярного транзистора.
Универсальность схемного узла для преобразования сигналов достигается использованием базы транзистора 2 в качестве второго входа по переменному току. Например, при подаче сигнала гетеродина на базу со смещением каскода в область нелинейности, схема работает как амплитудный модулятор.
Таким образом, предложенный каскодный усилитель типа ОС-ОБ является универсальным схемным узлом для построения специальных схем преобразования сигналов с пониженным электропитанием, с низкими шумовыми характеристиками. Изобретение обеспечивает упрощение каскадирования и управления усилением без необходимости подбора используемых полевых транзисторов.