КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).
В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1-19].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ фиг.1 по патенту США №3.882.410, фиг.3.
п
п
у
ymax
п
Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-19], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим (K=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению. Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.
Поставленная задача решается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной транзистор 1, база которого соединена с цепью установления статического режима 2 и через разделительный конденсатор 3 связана с источником сигнала 4, эмиттер по переменному току соединен с первой 5 шиной источников питания, а коллектор подключен к эмиттеру выходного транзистора 6, цепь смещения потенциалов 7, связанную с базой выходного транзистора 6, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 6 и выходом устройства, вторую шину источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен со второй 9 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 10 и через вспомогательный двухполюсник 11 соединен с эмиттером выходного транзистора 6. В качестве вспомогательного двухполюсника 11 могут применяться конденсаторы или источники опорного напряжения.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения для случая, когда вспомогательный двухполюсник 11 - конденсатор.
На чертеже фиг.3 показана схема КУ-прототипа, а на чертеже фиг.4 - заявляемого КУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
у
На чертеже фиг.5 представлены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.3 и фиг.4. Из данных графиков следует, что КУ по п.1 формулы изобретения имеет коэффициент усиления К на 12 дБ больше, чем КУ-прототип.
На чертеже фиг.6 приведена схема КУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, а на чертеже фиг.7 - пример конкретного выполнения его дополнительного дифференциального усилителя напряжения 15.
На чертеже фиг.8 представлена схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
На чертеже фиг.9 показана схема КУ фиг.7 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
На чертеже фиг.10 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.3 (прототип, нижний график), фиг.8 (заявляемый КУ по п.1 формулы изобретения, средний график) и фиг.9 (заявляемый КУ по п.2 формулы изобретения, верхний график).
у
Данные графики показывают, что схема фиг.8 по п.1 формулы изобретения имеет более высокое усиление, чем КУ фиг.3. В свою очередь, КУ фиг.9 (п.2 формулы изобретения) имеет еще более высокое усиление, чем КУ по п.1 формулы изобретения, которое на 30 дБ превышает К усилителя-прототипа.
Каскодный усилитель фиг.2 содержит входной транзистор 1, база которого соединена с цепью установления статического режима 2 и через разделительный конденсатор 3 связана с источником сигнала 4, эмиттер по переменному току соединен с первой 5 шиной источников питания, а коллектор подключен к эмиттеру выходного транзистора 6, цепь смещения потенциалов 7, связанную с базой выходного транзистора 6, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 6 и выходом устройства, вторую шину источников питания. Второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен со второй 9 шиной источника питания через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 10 и через вспомогательный двухполюсник 11, например конденсатор или стабилитрон, соединен с эмиттером выходного транзистора 6. В частном случае цепь установления статического режима 2 содержит источник тока 12, р-n переход 13 и резистор 14.
На чертеже фиг.6, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве цепи смещения потенциалов 7 используется выход дополнительного дифференциального усилителя напряжения 15, инвертирующий вход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 6, а неинвертирующий вход подключен к источнику опорного напряжения 16. В частном случае (фиг.7) дополнительный дифференциальный усилитель напряжения 15 реализован на транзисторе 17, а в качестве источника опорного напряжения 16 используется общая шина источников питания.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
8
Предельный коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.1 определяется сопротивлением R двухполюсника коллекторной нагрузки:
1
э1
э1
-1
где S≈(r) - крутизна усиления ШУ в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая от сопротивления эмиттерного перехода (r) входного транзистора 1.
у
у
Покажем аналитически, что более высокие значения К в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.2, а еще более высокий К имеет схема фиг.6 (фиг.7).
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению КУ фиг.2 определяется по формуле:
где  - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла «А»;
- комплексная крутизна транзистора 1 в режиме короткого замыкания выхода КУ (1).
Если емкость вспомогательного двухполюсника 11 (конденсатора) равна нулю, то для КУ фиг.2 при условии, что R8>>R10:
8
где R - сопротивление двухполюсника коллекторной нагрузки 8.
у.п.
То есть (3) - это формула для К усилителя-прототипа.
Комплекс эквивалентной нагрузки в узле «А» КУ фиг.2 можно найти по формуле:
где ,
- комплекс импеданса вспомогательного двухполюсника 11 (конденсатора 11);
,  - токи через двухполюсник коллекторной нагрузки 8 и через вспомогательный двухполюсник 11;
- комплекс коллекторного тока транзистора 6;
- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 6.
После преобразований последней формулы находим, что:
Поэтому коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.2:
или при :
y
Выигрыш по K, который дает схема КУ фиг.2 в сравнении с прототипом фиг.1, можно оценить с помощью, в общем случае, комплексного коэффициента:
у
6
э6
10
Если ω=0, то , т.е. на постоянном токе выигрыш по К отсутствует. При α=0,98-0,99, r/R<<1, в области средних частот, когда можно пренебрегать влиянием емкости конденсатора 11, реализуется значительный выигрыш по коэффициенту усиления:
В схеме КУ фиг.6, фиг.7, которая является дальнейшим развитием схемы фиг.2, статический режим транзистора 6 устанавливается дополнительным дифференциальным усилителем напряжения 15.
Аналогично можно показать, что коэффициент усиления по напряжению  более совершенной схемы каскодного усилителя фиг.6 определяется по формуле:
В области средних частот, когда влиянием сопротивления вспомогательного двухполюсника 11 можно пренебречь:
Сравнение (3), (9) и (11) показывает, что введение в схему в соответствии с п.2 формулы изобретения дополнительного дифференциального усилителя напряжения 15 повышает  в  в сравнении с каскодом-прототипом и в  в сравнении с каскодом по п.1 формулы изобретения, где:
6
э6
10
при типовых значениях параметров α=0,98-0,99, r=25 Ом, R=150 Ом.
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.10.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6.825.723, фиг.3.
2. Патент США №4.151.483, фиг.2.
3. Патент США №4.151.484.
4. Патент США №3.882.410, фиг.3.
5. Патентная заявка WO 2004/030207.
6. Патент США №2 4.021.749, фиг.2.
7. Патент США №3.693.108, фиг.9.
8. Патент США №7.113.043, фиг.2.
9. Патентная заявка США 2006/0033562.
10. Патентная заявка США 2006/0132242.
11. Патентная заявка США 2006/0119435.
12. Патентная заявка США 2005/0248408.
13. Патент США №6.204.728.
14. Патент США №6.278.329.
15. Патентная заявка США 2005/0225397.
16. Патент США №5.451.906.
17. Патент США №7.098.743, фиг.1.
18. Патент Англии GB №1431481, фиг.2.
19. Патент США №6.515.547, фиг.2.