МНОГОКАСКАДНЫЙ КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ПИТАНИЕМ НА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ
MULTI-STAGE CASCODE AMPLIFIER WITH SERIES POWER FET

Изобретение относится к области радиотехники и связи  и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых ВЧ и СВЧ сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и операционных усилителях).
В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители с резистивной (или индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходного транзистора [1-19], а также многокаскадные каскодные усилители с последовательным питанием [20-27].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является  многокаскадный каскодный усилитель (МКУ), представленный в  патентной заявке US 2012/13356508, fig. 10. Он содержит (фиг. 1) вход 1 и выход 2 устройства, входной преобразователь сигнала 3 с высокоомным токовым выходом 4, вход которого связан со входом 1 устройства, первый 5 и второй 6 выходные полевые транзисторы, двухполюсник нагрузки 7, включенный между выходом 2 устройства и шиной источника питания 8, первую 9 и вторую 10 цепи смещения потенциалов, причем выход 2 устройства соединен со стоком второго 6 выходного полевого транзистора.
у1
3
3
у1
Существенный недостаток известного МКУ фиг. 1 состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения коэффициента усиления по напряжению (К), которые определяются крутизной Sвходного преобразователя сигнала 3 и эквивалентным сопротивлением двухполюсника нагрузки 7. При работе полевых транзисторов в микрорежиме крутизна S входного преобразователя сигнала 3 оказывается небольшой и, как следствие, в известной схеме МКУ не реализуются высокие значения К.
y2
y1
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в существенном увеличении коэффициента усиления по напряжению МКУ, т.е. получении K>>K.
предусмотрены новые элементы и связи –
Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг. 1, содержащем вход 1 и выход 2 устройства, входной преобразователь сигнала 3 с высокоомным токовым выходом 4, вход которого связан со входом 1 устройства, первый 5 и второй 6 выходные полевые транзисторы, двухполюсник нагрузки 7, включенный между выходом 2 устройства и шиной источника питания 8, первую 9 и вторую 10 цепи смещения потенциалов, причем выход 2 устройства соединен со стоком второго 6 выходного полевого транзистора, в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные полевые транзисторы, исток первого 11 дополнительного полевого транзистора соединен с высокоомным токовым выходом 4 входного преобразователя сигнала 3 через первый 13 дополнительный резистор и связан с затвором первого 5 выходного полевого транзистора, затвор первого 11 дополнительного полевого транзистора соединен с высокоомным токовым выходом 4 входного преобразователя сигнала 3, исток первого 5 выходного полевого транзистора соединен со стоком первого 11 дополнительного полевого транзистора и подключен к первой 9 цепи смещения потенциалов, исток второго 12 дополнительного полевого транзистора соединен с затвором  второго 6 выходного полевого транзистора и подключен к стоку первого 5 выходного полевого транзистора через второй 14 дополнительный резистор, затвор второго 12 дополнительного полевого транзистора соединен со стоком первого 5 выходного полевого транзистора, исток второго 6 выходного полевого транзистора и сток второго 12 дополнительного полевого транзистора подключены ко второй 10 цепи смещения потенциалов.
На чертеже фиг. 1 представлена схема многокаскадного каскодного усилителя-прототипа.
На чертеже фиг. 2. показана схема многокаскадного каскодного усилителя с последовательным питанием на полевых транзисторах по п.1 и п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого многокаскадного каскодного усилителя в  соответствии с п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг. 4 приведен статический режим схемы МКУ фиг. 2 в среде LTSpice на CJFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь), при температуре 27°С, сопротивлении резисторов R1=R3=R4=10кОм, R2=16кОм, R6=100кОм, емкости конденсаторов C1=C2=C3=С4=100нФ, напряжении шины питания V1=10В и индуктивности L1=8мкГн.
На чертеже фиг. 5 представлен статический режим схемы МКУ фиг. 2 в среде LTSpice на CJFet транзисторах (ОАО «Интеграл» г. Минск, Беларусь), при криогенной температуре (-197°С), сопротивлении резисторов R1=R3=R4=10кОм, R2=16кОм, R6=100кОм, емкости конденсаторов C1=C2=C3=С4=100нФ, напряжении шины питания V1=10В и индуктивности L1=8мкГн.
На чертеже фиг. 6 показаны результаты моделирования логарифмической амплитудно-частотной характеристики (ЛАЧХ) коэффициента усиления схемы МКУ фиг. 4 при комнатной температуре 27°С.
На чертеже фиг. 7 показаны результаты моделирования ЛАЧХ коэффициента усиления схемы МКУ фиг. 5 при криогенной температуре -197°С.
На чертеже фиг. 8, в качестве примера применения МКУ фиг.3, представлена схема операционного усилителя с непосредственной связью каскадов.
На чертеже фиг. 9 показана схема МКУ-прототипа в среде LTspice, в котором используются такие же параметры элементов нагрузки 7, что в схемах предлагаемого устройства (фиг. 4, фиг. 5).
На чертеже фиг. 10 приведены результаты компьютерного моделирования схемы фиг. 9, из которых следует, что коэффициент усиления по напряжению данного МКУ равняется 13 дБ.
Многокаскадный каскодный усилитель с последовательным питанием на полевых транзисторах фиг. 2 содержит вход 1 и выход 2 устройства, входной преобразователь сигнала 3 с высокоомным токовым выходом 4, вход которого связан со входом 1 устройства, первый 5 и второй 6 выходные полевые транзисторы, двухполюсник нагрузки 7, включенный между выходом 2 устройства и шиной источника питания 8, первую 9 и вторую 10 цепи смещения потенциалов, причем выход 2 устройства соединен со стоком второго 6 выходного полевого транзистора. В схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные полевые транзисторы, исток первого 11 дополнительного полевого транзистора соединен с высокоомным токовым выходом 4 входного преобразователя сигнала 3 через первый 13 дополнительный резистор и связан с затвором первого 5 выходного полевого транзистора, затвор первого 11 дополнительного полевого транзистора соединен с высокоомным токовым выходом 4 входного преобразователя сигнала 3, исток первого 5 выходного полевого транзистора соединен со стоком первого 11 дополнительного полевого транзистора и подключен к первой 9 цепи смещения потенциалов, исток второго 12 дополнительного полевого транзистора соединен с затвором  второго 6 выходного полевого транзистора и подключен к стоку первого 5 выходного полевого транзистора через второй 14 дополнительный резистор, затвор второго 12 дополнительного полевого транзистора соединен со стоком первого 5 выходного полевого транзистора, исток второго 6 выходного полевого транзистора и сток второго 12 дополнительного полевого транзистора подключены ко второй 10 цепи смещения потенциалов.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, первая 9 цепь смещения потенциалов выполнена в виде первого 15 вспомогательного двухполюсника, связанного с общей шиной источника питания 16.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, первая 9 цепь смещения потенциалов зашунтирована (по переменному току) первым 17 корректирующим конденсатором.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, вторая 10 цепь смещения потенциалов выполнена в виде второго 18 вспомогательного двухполюсника, связанного с общей шиной источника питания 16.
На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 5 формулы изобретения, вторая 10 цепь смещения потенциалов зашунтирована (по переменному току) вторым 19 корректирующим конденсатором.
На чертеже фиг. 3 в соответствии с п. 6 формулы изобретения, первая 9 и вторая 10 цепи смещения потенциалов содержат последовательно включенные между шиной источника питания 8 и общей шиной источника питания 16 согласующего токостабилизирующего резистора 23, а также первого 24 и второго 25 источников опорного напряжения (например, стабилитронов).
Входной преобразователь сигнала 3 может иметь разное построение – как малошумящий усилитель переменного напряжения по схеме с общим истоком (фиг. 2) на первом 20 входном полевом транзисторе, первом 21 вспомогательном резисторе и разделительном конденсаторе 22, или как каскодный усилитель тока (фиг. 3) на втором 26 входном полевом транзисторе и втором 27 вспомогательном резисторе. Последняя схема преобразователя 3 позволяет включать на вход 1 токовый выход входного дифференциального каскада ОУ (на схеме фиг. 3 не показан) и использовать МКУ фиг. 3 в структуре операционного усилителя с общей отрицательной обратной связью (ООС, фиг. 8). Для данного применения МКУ фиг. 3 заданный статический режим транзисторов будет обеспечиваться за счет ООС.
В схеме фиг. 8 увеличено число транзисторов в каскодном включении – добавлен резистор 28, транзисторы 29 и 30, дополнительный источник напряжения смещения 31. Токовый выход 32 модифицированного МКУ на фиг. 8  связан с резистором 33 и полевым транзистором 34 «перегнутого» каскода, динамической нагрузкой которого является резистор 35 и транзистор 36. С токовым выходом 37 в схеме фиг. 8 связан корректирующий конденсатор 38 и буферный усилитель 39, выход которого 40 является потенциальным выходом устройства. Входной дифференциальный каскад 41 в ОУ фиг. 8 имеет входы 42 и 43 и содержит входные транзисторы 44 и 45, а  также источник опорного тока 46.
Рассмотрим работу МКУ фиг. 2.
U
U
U
U
9
10
9
10
Статический режим схемы фиг. 2 определяется напряжениями первой 9 и второй 10 цепей смещения потенциалов ( и ). Если, например, принять, что =3 В, =5 В, то сопротивления первого 15 и второго 18 вспомогательных двухполюсников должны удовлетворять условиям
,, (1)
15
18
где I, I – заданные значения токов первого 15 и второго 18 вспомогательных двухполюсников, например, 1 мА.
с0
Выходной статический ток входного преобразователя сигнала 3 определяется напряжением E (или устанавливается за счет общей отрицательной обратной связи, фиг. 8), причем он выбирается с учетом тока истока первого 11 дополнительного полевого транзистора
,  (2)
0
где  – напряжение затвор-исток первого 11 дополнительного полевого транзистора при токе истока I.
u
вх
Изменение переменного входного напряжения МКУ фиг. 2 на величину  преобразуется входным преобразователем сигнала 3 в приращение тока в цепи высокоомного токового выхода 4 входного преобразователя сигнала 3:
,   (3)
S
3
где  – крутизна входного преобразователя сигнала 3.
Как следствие, выходное напряжение на высокоомном токовом выходе 4 входного преобразователя сигнала 3:
,  (4)
R
4
где  – эквивалентное сопротивление высокоомного токового выхода 4 входного преобразователя сигнала 3.
(5)
R
μ
U
U
μ
i4
11
зи
.11
сз.
11
11
-3
-4
где  – выходное сопротивление входного преобразователя сигнала 3,  – коэффициент внутренней обратной связи первого 11 дополнительного полевого транзистора, характеризующий изменение его  при изменении напряжения  при постоянном токе истока (=10 ÷ 10).
Напряжение  практически с единичным коэффициентом передачи поступает на затвор первого 5 выходного полевого транзистора, что (при соответствующем выборе емкости первого 17 корректирующего конденсатора) вызывает появление переменной составляющей тока стока первого 5 выходного полевого транзистора:
,        (6)
S
5
где – крутизна стоко-затворной характеристики первого 5 выходного полевого транзистора.
i
c
.5
Ток  вызывает изменение напряжения , которое равно
,      (7)
Σ2
2
где R – эквивалентное сопротивление в узле Σ устройства, причем
,      (8)
12
-3
-4
где μ =10 ÷ 10– коэффициент внутренней обратной связи второго 12 дополнительного полевого транзистора в схеме с общим затвором.
u
Σ2
Напряжение  практически с единичным коэффициентом передачи поступает на затвор второго 6 выходного полевого транзистора и вызывает изменения его тока стока
,    (9)
S
6
где  – крутизна стоко-затворной характеристики второго 6 выходного полевого транзистора.
Поэтому переменная составляющая напряжения на двухполюснике 7 равна
.    (10)
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению МКУ фиг. 2
.    (11)
3
В МКУ-прототипе фиг. 1 из-за малых значений S
.       (12)
Таким образом, заявляемый многокаскадный каскодный усилитель имеет, в сравнении с прототипом фиг. 1, в  более высокие значения коэффициента усиления:
.      (13)
-3
Если выбрать , , то при ≈10 , из (13) можно получить, что теоретическое значение
.     (14)
Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования (фиг. 6, фиг. 7, фиг. 9, фиг. 10), из которых следует, что коэффициент усиления по напряжению заявляемого МКУ при работе транзисторов в микрорежиме увеличивается более чем в 10 раз.
н
н
н
н
н
Двухполюсник нагрузки 7 может содержать различные сочетания пассивных компонентов (R, L, C). Резонансные амплитудно-частотные характеристики заявляемого МКУ реализуются при включение в структуру двухполюсника нагрузки 7 индуктивности L и конденсатора C (фиг. 4). При этом, предельное значение коэффициента усиления по напряжению такого резонансного усилителя будут определяться численными значениями ограничивающего резистора R, включаемого параллельно L и C (фиг. 4). Для случая, когда МКУ фиг. 3 используется как промежуточный каскад ОУ (фиг. 8), в качестве двухполюсника нагрузки 7 могут применяться источники опорного тока и различные динамические нагрузки, в том числе на полевых транзисторах. Пример такого применения предлагаемого МКУ в структуре операционного усилителя показан на чертеже фиг. 8.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение многокаскадного каскодного усилителя имеет существенные преимущества по сравнению МКУ-прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 5.502.420, 1996 г.
2. Патент US 5.510.745 fig. 5a, fig.54, fig.56, fig.59, fig.61, fig. 64, fig. 66, 1996 г.
3. Патент US 6.392.492 fig. 1, 2002 г.
4. Патент US 5.914.640 fig. 2, 1999 г.
5. Патент US 4.342.967 fig. 1, 1982 г.
6. Патент US 6.825.723 fig. 3, 2004 г.
7. Заявка на патент US 2006/0248408, 2006 г.
8. Патент US 7.098.743 fig. 4, 2006 г.
9. Патент ES 2.079.397 fig. 9, 1996 г.
10.  Патент US 7.023.281 fig. 2b, 2006 г.
11. Заявка на патент US 2005/0248408, 2005 г.
12. Заявка на патент US 2005/0225397 fig. 3, 2005 г.
13. Патент US 7.113.043 fig.2, 2006 г.
14. Патент US 6.278.329, 2001 г.
15. Патент US 6.204.728 fig.4a, 2001 г.
16. Патент US 5.451.906 fig. 2, 1995 г.
17. Патент US 4.151.483 fig. 2, 1979 г.
18. Патент US 4.021.749 fig. 2, 1977 г.
19. Патент GB 1.431.481, 1976 г.
20. Патент KR 20140125808A fig. 10, 2014 г.
21.  Патент US 8.237.509 fig. 5, 2012 г.
22.  Патент US 7.898.339 fig. 4, 2011 г.
23. Заявка на патент US 2014/0184336, 2014 г.
24. Заявка на патент US 2006/0119435, fig. 3, 2006 г.
25. А.С. SU 1539961, fig. 3, 1983 г.
26. Заявка на патент US 2014/0043102, fig. 2, fig. 3, 2014 г.
27. Rawat K., Roblin P., Koul S. K. Bandwidth and Efficiency Enhancement in Radio Frequency Power Amplifiers for Wireless Transmitters. – Springer Nature, 2020, 390 p. doi: 10.1007/978-3-030-38866-9. fig. 6.4, pp. 355.