ШИРОКОПОЛОСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКА
BROADBAND CURRENT 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, СВЧ-усилителях тока, смесителях и перемножителях сигналов и т.п.).
В современной микроэлектронике широко применяются так называемые усилители тока Гильберта [1]. Их основное достоинство - широкий диапазон рабочих частот и наиболее полное использование высокочастотных свойств применяемых транзисторов. Такие усилители стали базовым функциональным узлом многих СВЧ изделий [1-17].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является широкополосный усилитель (ШУ), описанный в патенте фирмы Siemens US 4.277.756 (фиг.1). Кроме этого данная архитектура присутствует во многих других публикациях [1-17].
ШУ-прототип содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов.
Существенный недостаток известного ШУ состоит в том, что он не работоспособен при напряжениях питания . Это не позволяет использовать данную архитектуру в электронных схемах с , а также при их изготовлении по СВЧ SiGe-технологиям с малыми топологическими нормами, которые не допускают работу транзисторов при
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в снижении допустимого напряжения питания ШУ до 1,5 В при сохранении на достаточно высоком уровне основных динамических параметров.
Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном усилителе тока, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 8, эмиттер первого 15 дополнительного транзистора подключен к первому 2 входу устройства, эмиттер второго 16 дополнительного транзистора подключен ко второму 6 входу устройства, коллектор первого 15 дополнительного транзистора соединен с базой второго 9 входного транзистора и первой 17 цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго 16 дополнительного транзистора связан с базой четвертого 10 входного транзистора и второй 18 цепью дополнительной нагрузки.
На фиг.1 представлена схема широкополосного усилителя-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 представлена схема ШУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.4 - схема заявляемого широкополосного усилителя тока фиг.2.
i
17
0
24
25
На фиг.5 приведена зависимость коэффициента передачи по току K заявляемого ШУ фиг.4 от частоты при различных значениях суммарного тока эмиттерной цепи I=I транзисторов Q, Q (т.е. транзисторов 9 и 10, фиг.2).
inormal
17
6
На фиг.6 показана частотная зависимость нормированного коэффициента передачи по току ШУ, фиг.4 (K), при токе I=I=8 мА, где
0
i
К - коэффициент усиления по току K в диапазоне средних частот.
Широкополосный усилитель тока, фиг.2, содержит первый 1 входной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым входом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, второй 5 входной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 6 токовым входом и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания, вспомогательный источник напряжения 8, связанный с базами первого 1 и второго 5 входных транзисторов, третий 9 и четвертый 10 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и соединены с первой 4 шиной источников питания через третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, первый 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы первого 1 и четвертого 10 входных транзисторов, второй 12 токовый выход устройства, согласованный со второй 13 шиной источника питания, к которому подключены коллекторы второго 5 и третьего 9 входных транзисторов. В схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 8, эмиттер первого 15 дополнительного транзистора подключен к первому 2 входу устройства, эмиттер второго 16 дополнительного транзистора подключен ко второму 6 входу устройства, коллектор первого 15 дополнительного транзистора соединен с базой второго 9 входного транзистора и первой 17 цепью дополнительной нагрузки, коллектор второго 16 дополнительного транзистора связан с базой четвертого 10 входного транзистора и второй 18 цепью дополнительной нагрузки. В практических схемах в качестве вспомогательного источника напряжения 8 может использоваться общая шина источников питания 4 и 13.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первая 17 и вторая 18 цепи дополнительной нагрузки выполнены в виде двух последовательно соединенных прямосмещенных p-n переходов (21, 22) и (23, 24). В ряде случаев это могут быть резисторы.
В частном случае токовые выходы устройства 12 и 14 могут быть подключены к резисторам основной нагрузки 19 и 20, осуществляющим преобразование выходных токов в выходные напряжения.
Рассмотрим работу ШУ фиг.1 и фиг.2 на постоянном токе.
кэ.min.11
эб9
эб1
При практической реализации токостабилизирующих двухполюсников ШУ-прототипа, фиг.1, его минимальное напряжение питания  определяется тремя прямосмещенными p-n переходами (транзисторы 1, 9 и транзистор, на основе которого выполнен двухполюсник 11) (U≈0,7 B, U≈U≈0,7 В). Поэтому . Практически из-за особенностей SiGe транзисторов в ШУ-прототипе .
кэ.min
кэ.min
Статический режим транзисторов заявляемой схемы ШУ, фиг.2, устанавливается двухполюсниками 3, 7, 11. За счет новых связей токостабилизирующие двухполюсники 3, 11, 7 реализуются по одинаковым (традиционным) схемам источников тока на биполярных транзисторах и имеют одинаковое минимальное напряжение U, при котором их транзисторы не входят в насыщение (U≈0,7 B). В результате схема, фиг.2, может иметь малые отрицательные и положительные напряжения питания:
где  - напряжения на p-n переходах 21, 22;
- минимально возможное напряжение на двухполюснике 3, выполненном на биполярном транзисторе, находящемся в активном режиме;
- напряжение эмиттер-база 15.
в
На переменном токе ШУ, фиг.2, работает аналогично ШУ, фиг.1, и имеет практически такие же характеристики (фиг.5, фиг.6), что и известное устройство - обеспечивает усиление сигналов до частоты f=43,4 ГГц.
вx
вx.2
вx
Приращение входного тока i=2i ШУ, фиг.2, делится на две части. Первая составляющая i поступает в эмиттер, а затем коллектор первого 1 входного транзистора. Вторая составляющая передается в коллектор транзистора 15 и создает на цепи нагрузки 17 приращение напряжения, поступающее на базу транзистора 9. Как следствие, изменяются эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 9 и 10, что вызывает в цепи токового выхода 12 суммарное приращение тока:
где .
0
i
За счет изменения отношения /I можно управлять величиной K в схеме ШУ, фиг.2.
Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции СВЧ-усилителя тока при напряжениях питания , что недостижимо в рамках известных технических решений.
Источники информации
1. Barrie Gilbert. A Precise Four-Quadrant Multiplier with Subnanosecond Response/ IEEE Journal of Solid-State circuits, vol. sc-3, no.4, December, 1968. - С.365-373.
2. Патент США №2.013.444 НЗТ.
3. Патент США №4.277.756.
4. Патент Японии JP 54-34308(9815) А21.
5. Патент США №4.048.577, фиг.1.
6. Патентная заявка США №2009/0219094.
7. Патент WO №03/044948, фиг.2.
8. Патент США №3.760.194, фиг.2.
9. Патент США №3.931.583, фиг.7.
10. Патент США №4.528.517.
11. Патент США №3.843.934, фиг.1.
12. Патент США №6.529.075, фиг.1.
13. Патент №1454411.
14. Патент США №4.322.688.
15. Патент США №6.529.075, фиг.1.
16. Патентная заявка Японии JP 2004/88498, фиг.2.
17. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.240, рис.8.53.