КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ
COMPLEMENTARY CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH CONTROLLED GAIN

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Управляемый усилитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе систем электронной регулировки усиления, смешения или перемножения сигналов широкое применение находят схемы управляемых усилителей на основе дифференциальных каскадов с изменяющимся статическим режимом. Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных управляемых усилителей и аналоговых перемножителей сигналов. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла РЭА нового поколения относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.
Существует несколько базовых архитектур дифференциальных каскадов (ДК). Одна из них (фиг.1), которая относится к классической архитектуре, была впервые использована в операционном усилителе µА741. В связи с высокой популярностью такого ДК на его модификации выдано более 30 патентов разных стран, например [1-30].
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный каскодный дифференциальный усилитель (ККДУ), впервые описанный в патенте США № 3.786.362 фирмы Bell Telephone Laboratories, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9.
Существенный недостаток известного ККДУ состоит в том, что он не имеет специального входа «У» для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению, «привязанному» к общей шине источников питания. Это существенно сужает область его использования, не позволяет реализовывать на его основе адаптивные функциональные узлы систем на кристалле, например СВЧ-операционные усилители, у которых петлевое усиление изменяется по заданному алгоритму в зависимости от свойств источников сигнала и цепей обратных связей (см., например, патент РФ № 2307393 «Способ управления коэффициентом передачи решающего усилителя с глубокой отрицательной обратной связью»).
y
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению ККДУ. При этом управляющее напряжение U должно подаваться относительно общей шины источников питания. Реализация этой цели позволяет выполнять на базе заявляемого устройства не только широкополосные ВЧ- и СВЧ-усилители с регулируемыми параметрами, но создавать на его основе более сложные функциональные узлы, например аналоговые перемножители сигналов.
p
п
Первая дополнительная цель - создание архитектуры ККДУ с малым напряжением питания и электронным управлением его коэффициента усиления по напряжению, а также обеспечение возможности практической реализации устройства по SiGe технологии SG25H2 (рабочее напряжение для n-p-n транзисторов U=1,9 В; для p-n-p транзисторов U=2,8 B).
Вторая дополнительная цель - реализация на базе известного ККДУ функции аналогового смесителя и/или перемножителя двух напряжений.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9, предусмотрены новые элементы и связи, в схему введен первый 10 управляющий транзистор, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока 11 и через первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема аналогового перемножителя сигналов на базе заявляемого ККДУ фиг.2.
На  фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 - 6 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.4:
u
у
- зависимость коэффициентов усиления K от напряжения управления U в диапазоне частот (фиг.5);
u
- зависимость коэффициентов усиления K от напряжения управления (фиг.6).
На фиг.7 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.8 - 10 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.7:
u
y
- зависимость коэффициентов усиления К от напряжения управления U в диапазоне частот (фиг.8);
u
y
3
4
- зависимость коэффициентов усиления К от напряжения управления U при сопротивлениях резисторов R=R=100 Ом (фиг.9);
u
y
3
4
- зависимость коэффициентов усиления K от напряжения управления U при сопротивлениях резисторов R=R=500 Ом (фиг.10);
вых.c
y
- зависимость выходного синфазного напряжения U от сигнала управления U (фиг.11).
На фиг.12 показана схема перемножителя на базе заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.13 - 14 показаны результаты компьютерного моделирования схемы фиг.12:
u
y
- зависимость модуля коэффициента усиления K от напряжения управления U (фиг.13);
вых
x
y
- зависимость выходного напряжения U перемножителя от U и U (фиг.14);
у
- зависимость погрешности перемножения γ от напряжения управления U (фиг.15).
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых подключены ко входу 3 токового зеркала 4, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к выходу 7 токового зеркала 4 и токостабилизирующему двухполюснику 8, эмиттеры соединены с соответствующими эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а коллекторы связаны с цепью нагрузки 9. В схему введен первый 10 управляющий транзистор, эмиттер которого связан с первым источником опорного тока 11 и через первый 12 и второй 13 дополнительные резисторы соединен соответственно с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
В схеме фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор первого 10 управляющего транзистора может быть подключен ко входу 3 токового зеркала 4.
В частном случае цепь нагрузки 9 (фиг.2) может быть выполнена на базе резисторов 14 и 15, а токовое зеркало 4 - по различным традиционным схемам.
Схема фиг.3 представляет собой соединение двух идентичных схем фиг.2. Поэтому нумерация элементов правой части схемы помечена знаком (*).
x
Рассмотрим работу заявляемого устройства в режиме управляемого усилителя напряжения u (фиг.2) для случая п.1 формулы изобретения, когда коллектор транзистора 10 не связан со входом 3 токового зеркала (4).
у
В статическом режиме при нулевом напряжении управления (u=0) токи через резисторы 12 и 13 близки к нулю.
u
Коэффициент усиления по напряжению K для дифференциального выхода определяется формулой
н
где R - эквивалентное сопротивление нагрузки, зависящее от резисторов 14 и 15;
Σ
S - крутизна преобразования напряжения их в коллекторные токи транзисторов 5 и 6.
Причем
т
где φ≈26 мВ - температурный потенциал;
0
I - статический ток эмиттерных переходов транзисторов 1, 2, 5, 6;
эi
т
эi
эi
0
r=φ/I - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора схемы при статистическом токе эмиттера I=I.
Таким образом,
у
при u=0 для схемы фиг.2
y
Если управляющее напряжение U на управляющем входе «Вх.у» получает положительное  приращение, то это приводит к изменению тока
R
i через резисторы 12 и 13:
12
13
12
э5
э6
где R=R - сопротивления резистора 12 и 13 (R>>r=r).
R
Приращения i полностью поступают в эмиттеры транзисторов 5 и 6, изменяя сопротивления их эмиттерных переходов
Данный эффект объясняется тем, что благодаря отрицательной обратной связи через токовое зеркало 4 синфазные коллекторные токи транзисторов 1 и 2 схемы фиг.2 (пунктир) не изменяются:
у
u
Следовательно, при изменении u статистический режим транзисторов 1 и 2 не изменяется, что является особенностью и достоинством схемы по п.1 формулы изобретения. Таким образом, управление К по п.1 формулы изобретения обусловлено влиянием
у
u на статистический режим только транзисторов 5 и 6:
Рассмотрим далее работу схемы фиг.2 для случая, когда коллектор транзистора 10 связан со входом 3 токового зеркала 4 (п.2 формулы изобретения).
R
y
R
Σ
э1
э2
В этом режиме токи i, обусловленные изменением U, передаются в противофазе к узлу 3 по двум каналам - через транзисторы 1-2 и транзистор 10. Как следствие, это вызывает уменьшение только тока эмиттеров транзисторов 1 и 2 на величину i, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по напряжению из-за уменьшения первой составляющей крутизны S (2), обусловленной сопротивлениями r=r:
y
u
y
При другой фазе напряжения u коэффициент K увеличивается пропорционально величине U.
y
2
x
у
На базе заявляемого ККДУ (с учетом свойств фиг.9, фиг.10) реализуются смесители и/или перемножители сигналов. При противофазном изменении напряжения управления u=v,  на входах ККДУ фиг.12 противофазно изменяются (в соответствии с фиг.9, фиг.10) коэффициенты усиления ККДУ. Это является одним из условий перемножения двух напряжений u, u (фиг.14). Диапазон перемножения по каналу «X» может быть расширен традиционным способом - применением входных логарифмирующих диодов.
у
Замечательная особенность схем фиг.2, фиг.3 - подавление передачи сигнала управления u на выход ККДУ, что весьма важно для построения смесителя и/или перемножителя сигналов.
у
x
Таким образом, заявляемый комплементарный дифференциальный усилитель имеет электронное управление коэффициентом усиления. Причем сигнал управления u, как и входной сигнал u подаются на соответствующие входы относительно общей шины (без разделительных конденсаторов).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США № 3.786.362
2. Патент США № 4.030.044
3. Патент США № 4.059.808, фиг.5
4. Патент США № 4.286.227
5. Авт. свид. СССР № 375754, H03f 3/38
6. Авт. свид. СССР № 843164, H03f 3/30
7. Патент США № 3.660.773
8. Патент США № 4.560.948
9. Патент РФ № 2930041, H03f 1/32
10. Патент Японии № 57-5364, H03f 3/343
2
11. Патент ЧССР № 134845, кл. 21а 18/08
2
12. Патент ЧССР № 134849, кл. 21а 18/08
2
13. Патент ЧССР № 135326, кл. 21 а 18/08
14. Патент США № 4.389.579
15. Патент Англии № 1543361, Н3Т
16. Патент США № 5.521.552 (фиг.3а)
17. Патент США № 4.059.808
18. Патент США № 5.789.949
19. Патент США № 4.453.134
20. Патент США № 4.760.286
21. Авт. свид. СССР № 1283946
22. Патент РФ № 2019019
23. Патент США № 4.389.579
24. Патент США № 4.453.092
25. Патент США № 3.566.289
26. Патент США № 4.059.808 (фиг.2)
27. Патент США № 3.649.926
28. Патент США № 4.714.894 (фиг.1)
29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.
30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.