КАСКОДНЫЙ ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE BROADBAND 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
кб
в
Кб
в
В современной микроэлектронике находят широкое применение широкополосные каскодные усилители (ШУ) с каналами собственной компенсации емкости коллектор-база (С) выходного транзистора, реализованными на основе неинвертирующих повторителей тока [1-5]. Данная архитектура используется в различных активных нагрузках, источниках опорного тока и т.п. и позволяет в несколько раз улучшить верхнюю граничную частоту (f) ШУ для случаев, когда емкость С оказывает доминирующее влияние на f.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству относится каскодный широкополосный усилитель, опубликованный в статье «Методы компенсации основных составляющих выходной емкости транзисторов в аналоговых микросхемах» / Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., Ковбасюк Н.В., Крутчинский С.Г., Савченко Е.М. // Проблемы разработки перспективных микроэлектронных систем - 2006. Сборник научных трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2006, с.223-228.
п
п
у
ymax
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного устройства, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-5], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤2,0÷2,5 B), его коэффициент усиления по напряжению (K) получается небольшим (К=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения K применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы U=0,8÷1,6 В статического напряжения между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения U≈0,8 B для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:
,
Эрли
где U - напряжение Эрли выходного p-n-р транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера p-n-р выходного транзистора ДН.
Эрли
0
у
ДН
эб
Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» U=20÷30 B. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить K>200÷300. Более высокие выходные сопротивления R реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 B. При низковольтном питании это неприемлемо.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ШУ не эффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ШУ при низковольтном питании.
Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе фиг.1, содержащем входной преобразователь напряжение - ток 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, основной неинвертирующий повторитель тока 3 с низкоомным токовым входом 4 и потенциальным входом 5, определяющим статический потенциал низкоомного токового входа 4, причем токовый выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3 связан с эмиттером выходного транзистора 2, цепь смещения потенциалов 7, связанную с потенциальным входом 5 основного неинвертирующего повторителя тока 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 2 и выходом устройства, шину источника питания 9, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен с низкоомным токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 и через дополнительный резистор 10 соединен с шиной источника питания 9, причем база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов.
На чертеже фиг.1 показана схема ШУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2, а на чертеже фиг.4 - в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.5 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На чертеже фиг.6 и фиг.7 показаны схемы рекомендуемых неинвертирующих повторителей тока в соответствии с п.5 формулы изобретения.
На чертеже фиг.8 представлена схема аналога ШУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW, а на чертеже фиг.9 - заявляемого ШУ фиг.2 в структуре операционного усилителя.
На чертеже фиг.10 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.8 и фиг.9.
На чертеже фиг.11 представлена схема ШУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.12 - ее амплитудно-частотная характеристика.
Каскодный широкополосный усилитель фиг.2 содержит входной преобразователь напряжение - ток 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, основной неинвертирующий повторитель тока 3 с низкоомным токовым входом 4 и потенциальным входом 5, определяющим статический потенциал низкоомного токового входа 4, причем токовый выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3 связан с эмиттером выходного транзистора 2, цепь смещения потенциалов 7, связанную с потенциальным входом 5 основного неинвертирующего повторителя тока 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 8, первый вывод которого соединен с коллектором выходного транзистора 2 и выходом устройства, шину источника питания 9. Второй вывод двухполюсника коллекторной нагрузки 8 соединен с низкоомным токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 и через дополнительный резистор 10 соединен с шиной источника питания 9, причем база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход 13 первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен со второй 14 цепью согласования потенциалов, а токовый выход 15 первого 12 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с эмиттером выходного транзистора 2.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, база выходного транзистора 2 соединена с первой 11 цепью согласования потенциалов, в качестве которой используется низкоомный токовый вход второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока, причем потенциальный вход 17 второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с третьей 18 цепью согласования потенциалов, а токовый выход второго 16 дополнительного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым входом 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3.
На чертеже фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, основной неинвертирующий повторитель тока 3 содержит последовательное соединенные первый 19 и второй 20 вспомогательные неинвертирующие повторители тока, причем токовый вход первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым входом основного 3 неинвертирующего повторителя тока, потенциальный вход 21 первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с четвертой 22 цепью согласования потенциалов, токовый вход второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с токовым выходом первого 19 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока и базой выходного транзистора 2 и является первой 11 цепью согласования потенциалов, потенциальный вход 23 второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока соединен с пятой 24 цепью согласования потенциалов, токовый выход второго 20 вспомогательного неинвертирующего повторителя тока является токовым выходом 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3.
На чертеже фиг.6 и фиг.7, в соответствии с п.5 формулы изобретения, приведены примеры построения неинвертирующих повторителей тока. В качестве основного неинвертирующего повторителя тока 3, первого 12 и второго 16 дополнительных неинвертирующих повторителей тока, первого 19 и второго 20 вспомогательных неинвертирующих повторителей тока могут использоваться классические усилительные каскады с включением транзистора по схеме с общей базой.
с7
с11
Статический режим ШУ фиг.2 устанавливается цепями смещения потенциалов Е и Е, в качестве которых могут применяться как резистивные делители напряжения питания, так и более совершенные схемы источников напряжения с малыми выходными сопротивлениями. При этом ограничения на численные значения выходных потенциалов цепей смещения показаны на чертежах фиг.3 - фиг.7.
Рассмотрим работу ШУ фиг.2 на переменном токе.
вх
вых
R8
Положительное изменение входного напряжения u приводит к увеличению напряжения на выходе (u), которое создает ток i через двухполюсник нагрузки 8:
вx.4
R8
Это объясняется тем, что низкоомный токовый вход 4 основного неинвертирующего повторителя тока 3 (его R≈0) имеет по переменному току нулевой потенциал, поэтому все приращение i передается на вход 4 и, далее, на выход 6 основного неинвертирующего повторителя тока 3, а далее в эмиттер и коллектор выходного транзистора 2:
2
где α≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 2;
i3
K≈1 - коэффициент усиления по току основного неинвертирующего повторителя тока 3.
В результате эквивалентное сопротивление в коллекторной цепи транзистора 2, определяющее коэффициент усиления ШУ, возрастает:
2
i3
Поэтому коэффициент усиления ШУ фиг.2 при α=0,99, K=l увеличивается на один-два порядка. Данный вывод подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.10 схемы фиг.9.
кб.2
Следует заметить, что в схеме фиг.2 не компенсируется емкость С транзистора 2. Для решения и этой задачи следует использовать схемотехнические решения фиг.3, фиг.4 или фиг.5.
В качестве неинвертирующих повторителей тока авторы рекомендуют применять транзисторные каскады с общей базой (фиг.6, фиг.7).
Таким образом, в предлагаемом ШУ при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ-устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А.св. СССР №670927.
2. Патент США №6856188.
st
3. Method of rising the upper level frequency limit of wide-band amplifier [Text] / N.N.Prokopenko, E.I.Starchenko // 1 IEEE International Conference on Circuits and Systems for Communication. - St.Petersburg, Russia, June, 2002. - P.24-27.
кб
4. Сравнительный анализ базовых схем компенсации емкости С выходного транзистора широкополосных каскодных усилителей [Текст] / Н.Н.Прокопенко, Н.В.Ковбасюк, И.Е.Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Материалы Международного научно-практического семинара / ЮРГУЭС - Шахты: ЮРГУЭС, 2002. - Часть 1. - С.42-54.
кб
5. Математический анализ АХЧ усилителя с последовательной компенсацией емкости С выходного транзистора [Текст] / Н.Н.Прокопенко, И.Е.Старченко // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: Материалы Международного научно-практического семинара / ЮРГУЭС - Шахты: ЮРГУЭС, 2002. - Часть 1. - С.79-85.