УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПРОТИВОФАЗНЫМИ ТОКОВЫМИ ВЫХОДАМИ
AC AMPLIFIER WITH ANTIPHASED CURRENT OUTPUTS

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве функционального узла различных устройств усиления переменных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях, компараторах, фазорасщепителях и т.п.).
Основой большинства современных операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов являются так называемые «токовые зеркала» (повторители тока) [1-79]. В патентной литературе эти устройства с одним и тем же функциональным назначением присутствуют в классе H03F, а также классах G05F, H03K МПК. Качественные показатели многих аналоговых устройств определяются динамическими параметрами токовых зеркал. Именно этим объясняется большое число патентов, посвященных данному подклассу функциональных узлов [1-79].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является усилитель переменного тока (УТ) (фиг.1), представленный в патенте фирмы Analog Devices US 6.677.807, fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания.
Существенный недостаток известного УТ состоит в том, что он имеет несимметричные противофазные токовые выходы, согласованные с разными шинами источников питания (4, 8), что ограничивает его применение в качестве токовых фазорасщепителей входного однофазного сигнала - так называемых «балунов» (bulun).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в «привязке» противофазных токовых выходов устройства к одной (первой 4) шине источников питания.
Дополнительная задача - формирование на базе заявляемого УТ (фиг.1) избирательного усилителя с резонансной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
Поставленные задачи решаются тем, что в усилителе тока, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 2 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора и входом 6 устройства, который через источник входного тока 5 связан со второй 8 шиной источника питания, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом 7 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, эмиттер первого 2 выходного транзистора через дополнительный источник тока 9 связан со второй 8 шиной источника питания и через корректирующий конденсатор 10 подключен к неинвертирующему токовому выходу 7 устройства.
Схема УТ-прототипа представлена на чертеже фиг.1, а на чертеже фиг.2 показан вариант его типового включения в структуру дифференциального усилителя, выполняющего для заявляемого устройства функции источника входного тока.
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на чертеже фиг.3.
На чертеже фиг.4 показана схема УТ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.5 представлена схема УТ в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На чертеже фиг.6 показана схема УТ по п.5 формулы изобретения.
На чертежах фиг.7 и фиг.8 показаны схемы УТ в структуре дифференциальных усилителей, характеризующие применение заявляемого устройства.
1
1
2
На чертежах фиг.9 показана схема заявляемого УТ (фиг.3) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe-транзисторов, а на чертеже фиг.10 - ее частотная зависимость коэффициента усиления по току УТ со входа 6 на выходы  и 7(Вых.i) (out_i, out_i, фиг.9).
На чертеже фиг.11 показана схема УТ фиг.6 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe-транзисторов.
i
10
На чертеже фиг.12 представлена частотная зависимость коэффициентов передачи тока K со входа устройства на выходы out1 и out2 УТ фиг.11 при емкости корректирующего конденсатора 10 C=C=10 нФ.
10
На чертеже фиг.13 показана схема усилителя тока фиг.6 в режиме СВЧ избирательного усилителя при C=C=1 пФ.
i
10
На чертеже фиг.14 представлена частотная зависимость коэффициентов передачи по току K УТ фиг.13 на выходы out1 и out2 в режиме избирательного усилителя СВЧ диапазона при емкости корректирующего конденсатора 10 C=C=1 пФ.
Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами фиг.3 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с коллектором, первый 2 выходной транзистор, коллектор которого является инвертирующим токовым выходом 3 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, источник входного тока 5, связанный со входом 6 устройства, неинвертирующий токовый выход 7 устройства, вторую 8 шину источника питания. База первого 2 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 1 входного транзистора и входом 6 устройства, который через источник входного тока 5 связан со второй 8 шиной источника питания, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с неинвертирующим токовым выходом 7 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания, эмиттер первого 2 выходного транзистора через дополнительный источник тока 9 связан со второй 8 шиной источника питания и через корректирующий конденсатор 10 подключен к неинвертирующему токовому выходу 7 устройства.
2
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 выходной транзистор выполнен в виде составного транзистора, содержащего m≥1 параллельно включенных биполярных транзисторов.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, неинвертирующий токовый выход 7 устройства соединен с эмиттером первого 11 дополнительного транзистора, база которого связана с источником вспомогательного напряжения 12, а коллектор соединен с дополнительным неинвертирующим токовым выходом 13 устройства, согласованным с первой 4 шиной источника питания. Выходы 3 и 13 устройства могут быть связаны с резисторами нагрузки 14 и 15.
На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, инвертирующий токовый выход 3 устройства соединен с эмиттером второго 16 дополнительного транзистора, база которого подключена к базе первого 11 дополнительного транзистора, а коллектор соединен с дополнительным инвертирующим токовым выходом 17 устройства.
2
2
2
2
На чертеже фиг.6, в соответствии с п.5 формулы изобретения, первый 11 дополнительный транзистор выполнен в виде m параллельно включенных (по эмиттерно-базовым переходам) вспомогательных биполярных транзисторов, причем коллекторы m-1 вспомогательных биполярных транзисторов в структуре первого 11 дополнительного транзистора соединены с дополнительным неинвертирующим выходом 13 устройства, а коллектор m-ного вспомогательного биполярного транзистора связан с первой 4 шиной источника питания, где m - количество параллельно включенных биполярных транзисторов в структуре первого 2 выходного транзистора.
В схеме фиг.7 функции источника входного тока 5 и дополнительного источника тока 9 выполняют токовые выходы преобразователя «напряжение-ток» ПНТ1, например дифференциального каскада. Эта схема показывает одно из направлений практического использования заявляемого устройства.
Пример практической реализации усилителя фиг.7 дан на чертеже фиг.8, в котором в качестве динамической нагрузки в цепи выхода 3 используется источник тока 18.
Рассмотрим работу заявляемого УТ фиг.3.
вх
На высоких частотах, когда можно пренебречь влиянием реактивного сопротивления емкости конденсатора 10, при изменении входного тока устройства на величину i токи через эмиттерные переходы транзисторов 1 и 2, а также токи выходов 3 и 7:
2
эб.2
эб.1
где m - число параллельно включенных транзисторов, образующих составной транзистор 2, для которого напряжение эмиттер-база u=u.
i3
i7
Таким образом, коэффициенты передачи по току УТ фиг.3 на выход 3 (K) и выход 7 (K):
вх
i3
i7
Из формул (4), (5) следует, что в заявляемом устройстве фиг.3 реализуются функции фазорасщепителя входного однофазного сигнала (i) с токовыми выходами 3 и 7, «привязанными» к одной (первой) 4 шине источника питания, что существенно расширяет области его практического использования. Однако K≠K.
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования схем фиг.9, фиг.11, фиг.13.
Введение транзистора 11 в соответствии с чертежом фиг.4 обеспечивает достаточно высокие значения выходного сопротивления УТ для выходов 3 и 13.
В схеме фиг.5 транзисторы 16 и 11 обеспечивают каскодную (то есть более высокочастотную) передачу входного тока на выходы 17 и 13.
i13
i17
i13
i17
Введение транзистора 11 в соответствии с п.5 формулы изобретения (фиг.6) решает задачу «выравнивания» коэффициентов усиления по току для инвертирующего (K) и неинвертирующего (K) выходов УТ (фиг.12, фиг.14). В этом случае, за счет многоколлекторного транзистора 11 обеспечивается равенство K=K:
Действительно, сравнение графиков фиг.10 и фиг.12 (фиг.14) показывает достаточно высокую идентичность передачи входного токового сигнала на противофазные выходы 17 и 13 устройства до частот 10-15 ГГц. Причем за счет выбора емкости корректирующего конденсатора 10 реализуется резонансный вид амплитудно-частотной характеристики (фиг.14).
i
Таким образом, заявляемый УТ имеет два противофазных токовых выхода, согласованных с шиной положительного источника питания, и, кроме этого, характеризуется свойствами резонансного усилителя с K>1. Данные свойства УТ позволяют реализовать на его основе аналоговые смесители сигналов на основе ячеек Гильберта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств, 2-е изд., испр. - М.: Издательский дом «Додэка - XXX1», 2007. - 528 с., ил., с.21, рис.7.9.
2. Патент РФ №1.329.639
3. Патент США №3.681.623
4. Патент США №3.813.607
5. Патент США №3.835.410
6. Патент США №4.008.441, H03f 3/16
7. Патент США №4.013.973
8. Патент США №4.030.044 (фиг.3)
9. Патент США №4.095.189
10. Патент США №4.117.417
11. Патент США №4.241.315
12. Патент США №4.345.213
13. Патент США №4.412.186, H03f 3/04
14. Патент США №4.471.236
15. Патент США №4.591.804, H03f 3/04
16. Патент США №4.769.619
17. Патент США №4.855.686
18. Патент США №4.937.515 G05f 3/26
19. Патент США №4.990.864
20. Патент США №5.053.718
21. Патент США №5.079.518 H03K 3/16
22. Патент США №5.164.658
23. Патент США №5.373.253
24. Патент США №5.399.991
25. Патент США №5.572.114
26. Патент США №5.969.574
27. Патент США №5.986.507
28. Патент США №6.016.050
29. Патент США №6.570.438
30. Патент США №6.573.795
31. Патент США №6.586.918
32. Патент США №6.606.001
33. Патент США №6.300.803
34. Патент США №6.528.981
35. Патент США №6.630.818
36. Патент США №6.639.452
37. Патент США №6.677.807
38. Патент США №6.680.605
39. Патентная заявка США 2006/0033577, fig.4
40. Патент США 5.157.322, fig.4
41. Патентная заявка США 2003/0030492, fig.1
42. Патент США 6.633.198, fig.1
43. Патент США 4.057.763
44. Патент США №6.657.481, fig.2
45. Патент США №6.573.795, fig.1
46. Патент США №6.680.651, fig.1
47. Патент США №6.291.977, fig.1a
48. Патент США №4.733.161, fig.1
49. Патент США №4.897.614, fig.1б
50. Патент США №5.933.055, fig.4в
51. Патент США №4.567.444, fig.1
52. Патент США№5.512.815, fig.1в
53. Патент США №4.031.456, fig.1
54. Патент США №4.300.091, fig.10
55. Патент США №4.345.217, fig.1
56. Патент США №3.921.013, fig.2
57. Патент США №5.132.640, fig.1
58. Патент США №5.394.079, fig.1
59. Патент США №4.158.178, fig.2
60. Патент США №3.952.257, fig.1
61. Патент США №3.588.672, fig.6
62. Патент США №3.320.439
63. Патент США №4.879.524, fig.1
64. Патент США №6.586.918
65. Патентная заявка США 2005/021894
66. Патентная заявка США 2010/0127765, fig.1
67. Патент США №4.536.702, fig.1
68. Патент США №5.633.612, fig.1
69. Патент США №4.462.005, fig.1
70. Патент США №4.528.496, fig.1
71. Патент США №4.473.794, fig.5
72. Патент США №5.721.512, fig.1
73. Патент США №6.816.014, fig.1
74. Патент США №3.979.606, fig.1
75. Патент США №5.357.188, fig.5
76. Патент США №6.191.656
77. Патент США №5.291.149, fig.5
78. Патент РФ 2193273
79. Патентная заявка США 2004/081688