ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УСТРОЙСТВОМ СТАБИЛИЗАЦИИ ТОКА КОЛЛЕКТОРА
HIGH-FREQUENCY AMPLIFIER WITH COLLECTOR CURRENT STABILISING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области радиотехники и электроники. В частности, к интегральным микросхемам на основе совмещенной биполярной и КМОП (БиКМОП) технологии.
Уровень техники
Проблема стабилизации статического режима работы усилителя состоит в том, что в реальных условиях тепловая мощность, выделяемая в усилительном каскаде, и температура выходного транзистора зависят от режима работы. Рабочая температура транзисторов в составе одной монолитной микросхемы может отличаться на 10-20 градусов [1]. В критических случаях возможен тепловой пробой мощных биполярных транзисторов. С увеличением температуры уменьшается напряжение база - эмиттер и возрастает коэффициент усиления базового тока. В диапазоне рабочих температур коэффициент усиления тока возрастает с увеличением температуры с коэффициентом пропорциональности 0,3-0,5%/К. А напряжение база - эмиттер при заданном токе эмиттера уменьшается с коэффициентом 2 мВ/К [2].
В известных технических решениях (RU 2193272 С1 (2002 г.), RU 60816 U1 (2006 г.), RU 2421882 С1 (2011 г.), RU 2419198 С1 (2011 г.)) устройство стабилизации тока коллектора компенсирует изменение тока, вызванное изменением средней температуры кристалла микросхемы. Изменение тока, вызванное локальным разогревом транзисторов, не компенсируется.
Наиболее близким техническим решением является усилитель высокочастотных сигналов, описанный в патенте РФ 2116693 С1 (1996 г.). Прототип содержит опорный каскад, формирующий напряжение база - эмиттер, зависящее от средней температуры кристалла; управляющий каскад, задающий ток базы опорного и выходного транзисторов;
каскад частотной коррекции, препятствующий проникновению входного высокочастотного сигнала в опорный каскад; выходной каскад, режим работы которого определяется устройством стабилизации. Локальное изменение напряжения база - эмиттер выходного транзистора компенсируется частично за счет ограничительного резистора, изменение коэффициента усиления тока не компенсируется. Стабилизация коллекторного тока в устройстве прототипа неполная. Ток возрастает с ростом температуры окружающей среды и напряжения питания. Одновременно растут потребляемая мощность и температура выходного транзистора, снижается надежность изделия.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильности коэффициента усиления и защита выходного транзистора усилителя от перегрева. Техническим результатом, позволяющим выполнить поставленную задачу, является уменьшение вариаций коллекторного тока выходного транзистора при изменении рабочей температуры усилителя, сопротивления нагрузки и напряжения питания.
Согласно изобретению, этот технический результат достигается за счет того, что в высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора (фиг.), включающий выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через первый разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2), устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4), третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), первый выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, формирующий составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10), в устройство стабилизации тока коллектора (8) введены дополнительно второй выход «токового зеркала» (13) и дифференциальный усилитель (14), причем второй выход «токового зеркала» (13) соединен с объединенными истоками первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов дифференциального усилителя (14), затворы первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов через первый R1 (17) и второй R2 (18) резисторы соединены с базами первого (2) и второго (9) биполярных транзисторов соответственно, сток первого Р-МОП транзистора (15) соединен с базой и коллектором четвертого биполярного транзистора (19) с заземленным эмиттером, а сток второго Р-МОП транзистора (16) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, уменьшающим вторую составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора пропорционально разности температур между первым и вторым биполярными транзисторами.
«Токовое зеркало» (13) построено на третьем (20), четвертом (21) и пятом (22) Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания (4), сток и затвор третьего Р-МОП транзистора (20), затворы четвертого (21) и пятого (22) Р-МОП транзисторов соединены с входом «токового зеркала» (13), а стоки четвертого (21) и пятого (22) Р-МОП транзисторов соединены с первым и вторым выходами «токового зеркала» соответственно.
А также затворы первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов соединены через конденсатор (23), который совместно с резисторами R1 (17) и R2 (18) образуют фильтр нижних частот, препятствующий модуляции сигнала управления входным высокочастотным сигналом.
Токостабилизирующий двухполюсник (10) выполнен в форме резистора R3 с низким температурным коэффициентом сопротивления.
Краткое описание чертежей
На фигуре представлена схема высокочастотного усилителя с устройством стабилизации тока коллектора. Показаны выходной каскад и устройство стабилизации тока коллектора выходного биполярного транзистора с «токовым зеркалом» и дифференциальным усилителем.
Осуществление изобретения
Высокочастотный усилитель с устройством стабилизации тока коллектора (фиг.) включает выходной каскад (1) на основе первого биполярного транзистора (2) с общим эмиттером и реактивную нагрузку (3), включенную между коллектором первого биполярного транзистора (2) и шиной положительного питания (4), причем выход усилителя (5) подключен к коллектору первого биполярного транзистора (2), а вход усилителя (6) через первый разделительный конденсатор (7) подключен к базе первого биполярного транзистора (2); устройство стабилизации тока коллектора (8) первого биполярного транзистора, включающее второй опорный транзистор (9), соединенный последовательно с токостабилизирующим двухполюсником (10) между заземленной шиной (11) и шиной положительного питания (4); третий транзистор (12), соединенный базой с коллектором второго опорного транзистора (9), эмиттером с базой второго опорного транзистора (9), а коллектором с входом «токового зеркала» (13), первый выход которого соединен с базой первого биполярного транзистора (2) и образует основной канал управления, уменьшающим вторую составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора (2), пропорциональную току токостабилизирующего двухполюсника (10),
В устройство стабилизации тока коллектора (8) дополнительно введены: второй выход «токового зеркала» (13) и дифференциальный усилитель (14), причем второй выход «токового зеркала» (13) соединен с объединенными истоками первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов дифференциального усилителя (14), затворы первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов через первый R1 (17) и второй R2 (18) резисторы соединены с базами первого (2) и второго (9) биполярных транзисторов соответственно, сток первого Р-МОП транзистора (15) соединен с базой и коллектором четвертого биполярного транзистора (19) с заземленным эмиттером, а сток второго Р-МОП транзистора (16) соединен с базой первого биполярного транзистора (2), и это соединение является вторым дополнительным каналом управления, формирующим составляющую тока коллектора первого биполярного транзистора пропорционально разности температур между первым и вторым биполярными транзисторами.
«Токовое зеркало» (13) реализовано на третьем (20), четвертом (21) и пятом (22) Р-МОП транзисторах, причем истоки этих транзисторов подключены к шине положительного питания (4), сток и затвор третьего Р-МОП транзистора (20), затворы четвертого (21) и пятого (22) Р-МОП транзисторов соединены с входом «токового зеркала» (13), а стоки четвертого (21) и пятого (22) Р-МОП транзисторов соединены с первым и вторым выходами «токового зеркала» соответственно.
Затворы первого (15) и второго (16) Р-МОП транзисторов соединены через конденсатор (23), который совместно с резисторами R1 (17) и R2 (18) образуют фильтр нижних частот, препятствующий модуляции сигнала управления входным высокочастотным сигналом.
Токостабилизирующий двухполюсник (10) выполнен в форме резистора R3 с низким температурным коэффициентом сопротивления, что способствует стабилизации токов опорного и выходного транзисторов.
Технический результат, представляющий собой стабилизацию коллекторного тока выходного транзистора высокочастотного усилителя в условиях изменения температуры кристалла микросхемы и локального саморазогрева выходного транзистора, достигается за счет сложения токов двух каналов управления, один из которых формирует первую составляющую пропорционально току опорного транзистора, а другой - вторую составляющую, зависящую от разницы напряжений база - эмиттер выходного и опорного транзисторов.
С увеличением температуры выходного транзистора понижается напряжение база - эмиттер и уменьшается вторая составляющая тока базы, компенсирую тем самым возрастание коэффициента усиления тока.
Отличительный признак технического решения состоит в разделении опорного тока на две составляющие: первая составляющая учитывает условия работы, одинаковые для опорного и выходного транзисторов; вторая составляющая учитывает разность температур опорного и выходного транзисторов, уменьшая входной ток с увеличением коэффициента усиления тока усилительного транзистора.
Реализуемость изобретения подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы Cadence Microsystems и аттестованных производителем (ОАО «Ангстрем») моделей элементов.
Источники информации
1. J.D.Cressler, Silicon Heterostrocture Handbook, Taylor and Francis, 2006, pp.539-549.
2. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов: в 2-х кн./Пер.с. англ. - 2-е пер. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - кн.1.