КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL 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 US №5.568.092.
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 каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, коллекторные выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал связаны со вторым 12 источником питания, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, вход первого 13 токового зеркала соединен с первым 15 источником опорного тока и через первый 16 корректирующий конденсатор соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, причем второй вывод первого 7 резистора коллекторной нагрузки связан со вторым 12 источником питания через первый 19 дополнительный резистор, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым 17 источником опорного тока и через второй 18 корректирующий конденсатор соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, причем второй вывод второго 9 резистора коллекторной нагрузки связан со вторым 12 источником питания через второй 20 дополнительный резистор.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема КУ фиг.2 с конкретным выполнением первого 13 и второго 14 токовых зеркал, а также двухполюсников 15 и 17 (в виде резисторов).
На чертеже фиг.4 показана схема КДУ фиг.3 для случая, когда в качестве выходных транзисторов 4 и 5 используется не n-p-n (фиг.3), а р-n-р транзисторы.
На чертеже фиг.5 представлена схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертежах фиг.6-фиг.7 приведены амплитудно-частотные характеристики заявляемого КДУ при разных значениях емкости конденсаторов 16 и 18 и сопротивлениях двухполюсников 15 и 17.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, коллекторные выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал связаны со вторым 12 источником питания, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 4 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала соединен с эмиттером второго 5 выходного транзистора, вход первого 13 токового зеркала соединен с первым 15 источником опорного тока и через первый 16 корректирующий конденсатор соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, причем второй вывод первого 7 резистора коллекторной нагрузки связан со вторым 12 источником питания через первый 19 дополнительный резистор, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым 17 источником опорного тока и через второй 18 корректирующий конденсатор соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, причем второй вывод второго 9 резистора коллекторной нагрузки связан со вторым 12 источником питания через второй 20 дополнительный резистор.
На чертеже фиг.3 токовые зеркала 13 и 14 реализованы на основе р-n переходов 21, 24, площади которых меньше, чем площади эмиттерных переходов транзисторов 4 и 5, а также выходных транзисторов 22, 23. Входной каскад 1 выполнен в виде классической схемы на транзисторах 25, 26 и источнике тока 27.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
6
Статический режим транзисторов КУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 27 и напряжением Е на базах транзисторов 4 и 5. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, то коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.2 по выходу Вых.1 в диапазоне рабочих частот определяется по формуле:
н.экв.4
где R - эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора 4 в узле 8 («Вых.1»);
э25
э26
r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 25 и 26 входного каскада 1.
н.экв.4
Причем R можно найти из выражения:
где ,
R7
- коэффициент деления тока i между входом токового зеркала 13 и резистором 19;
вx.13
R - входное сопротивление токового зеркала 13;
5
α≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ фиг.2:
у.прот
где K - коэффициент усиления КУ-прототипа фиг.1(1).
y
Поэтому выигрыш по K в схеме фиг.2
y
i.1
R7
dl
y
Численные значения K (4) определяются знаменателем данной формулы, который зависит прежде всего от коэффициента усиления по току K токового зеркала 13 и коэффициента деления тока i между конденсатором 16 и резистором 19 (K<1). Например, для получения десятикратного выигрыша по усилению (N=10) необходимо обеспечить (за счет соответствующего выбора на этапе изготовления микросхем площадей эмиттерных переходов транзисторов 21 и 23 токов зеркал 13 и 14 (фиг.3)) равенство:
19
7
4
i.1
19
i.1
4
y
Если считать, что R≈R, α=0,99, то из (6) следует, что K должен быть близок к двум единицам, что обеспечивается топологией транзисторов, образующих токовые зеркала 13 и 14. При стабильных значениях R, K α можно реализовать достаточно стабильные значения K в диапазоне изменения внешних факторов (температура, радиация и т.п.).
y
В практических схемах выигрыш по K получается на уровне 20÷40 дБ (фиг.6, фиг.7).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет в диапазоне рабочих частот существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6.825.723 fig.3
2. Патент США №4.151.483 fig.2
3. Патент США №4.151.484
4. Патент США №3.882.410 fig.3
5. Патентная заявка WO 2004/030207
6. Патент США №4.021.749 fig.2
7. Патент США №3.693.108 fig.9
8. Патент США №7.113.043 fig.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 fig.1
18. Патент Англии GB №1431481 fig.2
19. Патент США №6.515.547 fig.2