ШИРОКОПОЛОСНАЯ ЦЕПЬ СМЕЩЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО УРОВНЯ В ТРАНЗИСТОРНЫХ КАСКАДАХ УСИЛЕНИЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛОВ
BROADBAND BIAS CIRCUIT OF STATIC LEVEL IN TRANSISTOR STAGES OF AMPLIFICATION AND CONVERSION OF SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах усиления аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в качестве промежуточных каскадов широкополосных операционных усилителей, реализуемых по новым и перспективным технологиям).
В современной микроэлектронике в качестве промежуточных каскадов аналоговых микросхем находят широкое применение цепи согласования статического уровня, реализуемые на основе эмиттерных или истоковых повторителей напряжений [1-12], а также более сложных сочетаниях активных и пассивных компонентов [7, 8, 10, 11]. Как правило, их основная задача - обеспечить смещение на 1÷5 В статического уровня без потерь усиления на высоких частотах. На практике, особенно для цепей смещения в устройствах СВЧ диапазона данная задача не имеет удовлетворительного решения из-за влияния выходной паразитной емкости, которая обусловлена емкостями коллектор - база и емкостью на подложку выходных транзисторов схемы.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является цепь смещения (ЦС), фиг. 1, по патенту US 4.551.642.
в
п
кб
п
кб
Существенный недостаток известного устройства, архитектура которого присутствует также во многих широкополосных усилителях, состоит в том, что оно имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты f. Это обусловлено отрицательным влиянием паразитных емкостей на подложку (С) выходного транзистора и его емкостью коллектор - база (С). Численные значения С и С для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость [13], являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе ЦС, фиг. 1.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот цепи смещения статического уровня.
Поставленная задача решается тем, что в цепи смещения статического уровня, фиг. 1, содержащей входной транзистор 1, база которого соединена с источником входного сигнала 2, коллектор подключен к первой 3 шине питания, а эмиттер через согласующий резистор 4 соединен с выходом устройства 5, вспомогательный транзистор 6, коллектор которого подключен к выходу устройства 5, эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник 7 связан со второй 8 шиной источника питания, а база соединена с источником напряжения смещения 9, корректирующий конденсатор 10, неинвертирующий усилитель напряжения 11, вход которого подключен к выходу устройства 5, предусмотрены новые элементы и связи - выход неинвертирующего усилителя напряжения 11 связан с эмиттером вспомогательного транзистора 6 через корректирующий конденсатор 10.
Схема ЦС-прототипа показана на фиг. 1.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 приведена схема фиг. 2 в среде Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов техпроцесса SG25H1.
к
На фиг. 4 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи ЦС, фиг. 3, при разных значениях корректирующего конденсатора С. Из анализа данных графиков следует, что диапазон рабочих частот ЦС, фиг. 3, расширяется в 5 раз.
На фиг. 5 приведена схема ЦС, фиг. 2, в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ОАО «НПП Пульсар».
к
На фиг. 6 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи ЦС, фиг. 5, при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С (10). Из анализа данных графиков следует, что диапазон рабочих частот ЦС, фиг. 5, расширяется более чем в 5 раз.
3
На фиг. 7 приведена схема ЦС, фиг. 2, в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов для случая, когда в выходной цепи имеется дополнительная паразитная емкость нагрузки С=1пФ.
к
На фиг. 8 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента передачи ЦС, фиг. 7, при разных значениях емкости корректирующего конденсатора С (10). Из анализа данных графиков следует, что диапазон рабочих частот ЦС, фиг. 7, расширяется в 7 раз.
Широкополосная цепь смещения статического уровня в транзисторных каскадах усиления и преобразования сигналов, фиг. 2, содержит входной транзистор 1, база которого соединена с источником входного сигнала 2, коллектор подключен к первой 3 шине питания, а эмиттер через согласующий резистор 4 соединен с выходом устройства 5, вспомогательный транзистор 6, коллектор которого подключен к выходу устройства 5, эмиттер через токостабилизирующий двухполюсник 7 связан со второй 8 шиной источника питания, а база соединена с источником напряжения смещения 9, корректирующий конденсатор 10, неинвертирующий усилитель напряжения 11, вход которого подключен к выходу устройства 5. Выход неинвертирующего усилителя напряжения 11 связан с эмиттером вспомогательного транзистора 6 через корректирующий конденсатор 10. Конденсатор 12 в схеме, фиг. 2, моделирует влияние на работу ЦС паразитных емкостей схемы, связанных с выходом устройства 5.
Рассмотрим работу ЦС, фиг. 2.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow>
В области высоких частот, на амплитудно-частотную характеристику ЦС, фиг. 2, начинает влиять конденсатор 12 в выходной цепи 5, через который протекает составляющая тока
:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow>
где
- комплекс тока через конденсатор 12;
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
- комплекс выходного напряжения устройства;
- комплексное сопротивление конденсатора 12 на частоте сигнала ω.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow>
Напряжение
передается на выход неинвертирующего усилителя напряжения 11:
у
где К - коэффициент передачи по напряжению неинвертирующего усилителя напряжения 11.
Поэтому комплекс тока через корректирующий конденсатор 10 равен:
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>Z</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>10</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>C</mi><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
- комплекс сопротивления корректирующего конденсатора 10.
Приращение тока через конденсатор 10 передается в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 6. Как следствие, в выходной цепи устройства 5 при выполнении условия
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>к</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>6</mn></msub><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mn>10</mn></mrow></msub></mrow>
6
обеспечивается взаимная компенсация двух токов
и
, где α≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 6.
В конечном итоге это расширяет диапазон рабочих частот ЦС, фиг. 2 ,в 5÷7 раз. Данный вывод подтверждается компьютерным моделированием ЦС (фиг. 4, фиг. 6, фиг. 8).
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение ЦС характеризуется более широким диапазоном рабочих частот.
Источники информации
1. Патент US 5.929.710
2. Патент US 6.297.685 fig. 5, 6
3. Патент US 4.185.212
4. Патент US 4.767.946
5. Патент US 3.985.954
6. Патент US 4.142.110
7. Патент US 7.646.233
8. Патент US 4.080.539
9. Патент US 5.039.887
10. Патент US 4.743.862
11. Патент WO 96/31948
12. Патент US 6.882.294 fig.3
13. Элементная база радиационно стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н. Прокопенко, О.В. Дворников, С.Г. Крутчинский; Побщ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко; ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - 208 с.