СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР
COMPOSITE TRANSISTOR

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 (фиг.1), включенной в коллекторную цепь входного транзистора - каскада с общим эмиттером [1-15]. Активную часть КУ, содержащую входной 1 и выходной 4 транзисторы, можно рассматривать как составной транзистор (СТ), который может включаться в различные электронные схемы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является составной транзистор в схеме КУ (фиг.1) по патенту US 5.304.946, fig. 14, который показан также на чертеже фиг.2. Он содержит входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора.
вых
вх
Существенный недостаток известного СТ, архитектура которого присутствует также во многих других каскодных усилителях [1-15], состоит в том, что он обладает сравнительно большими выходной С и входной Спаразитными емкостями, что отрицательно сказывается на диапазоне его рабочих частот в структуре различных усилителей.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в уменьшении входной и выходной емкостей составного транзистора и, как следствие, повышение в 8-10 раз верхней граничной частоты различных усилителей на базе заявляемого СТ.
Поставленная задача решается тем, что в составном транзисторе фиг.1, содержащем входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 6, статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока 7, включенным между первой 8 шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора 6, причем база дополнительного транзистора 6 соединена с базой входного транзистора 1, его коллектор связан с эмиттером входного транзистора 1, а эмиттер подключен к базе выходного транзистора 4.
Схема каскодного усилителя на основе составного транзистора-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена отдельно схема СТ-прототипа.
На чертеже фиг.3 показан заявляемый СТ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 представлена схема каскодного усилителя на основе СТ фиг.3, соответствующая п.2 формулы изобретения.
п
На чертеже фиг.5 представлена схема каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.2 (напряжение питания Е=±5 В, транзисторы TN50S ФГУП НПП «Пульсар»).
п
На чертеже фиг.6 приведена схема каскодного усилителя на базе предлагаемого СТ фиг.3 (Е=±5 В, транзисторы TN50S, TP50S ФГУП НПП «Пульсар»).
B
На чертеже фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты для схемы каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.5 и КУ с предлагаемым СТ фиг.3 (транзисторы TN50S, TP50S ФГУП НПП «Пульсар). Данный график показывает, что заявляемое устройство имеет в 7-8 раз лучшее значение верхней граничной частоты f.
На чертеже фиг.8 представлена зависимость комплексного входного сопротивления от частоты для схем каскодного усилителя на базе СТ-прототипа фиг.2 и усилителя с предлагаемым СТ фиг.3 (транзисторы TN50S, ТР508 ФГУП НПП «Пульсар). Данный график показывает, что входная емкость предлагаемого устройства в 3-4 раза меньше, чем в известном СТ.
На чертеже фиг.9 показана схема каскодного усилителя на основе заявляемого СТ, которая имеет близкий к нулю входной статический ток.
На чертеже фиг.10 приведена зависимость входного статического тока сравниваемых схем фиг.5 и фиг.9 от температуры.
Данные графики показывают, что предлагаемая схема имеет значительно меньший входной статический ток, что приближает ее свойства по этому параметру к полевым транзисторам.
Составной транзистор фиг.3 содержит входной транзистор 1, база которого является базой 2, а эмиттер - эмиттером 3 составного транзистора, выходной транзистор 4, коллектор которого является коллектором 5 составного транзистора, а эмиттер соединен с коллектором входного транзистора 1. В схему введен дополнительный транзистор 6, статический режим которого по току эмиттера устанавливается дополнительным источником опорного тока 7, включенным между первой 8 шиной источника питания и эмиттером дополнительного транзистора 6, причем база дополнительного транзистора 6 соединена с базой входного транзистора 1, его коллектор связан с эмиттером входного транзистора 1, а эмиттер подключен к базе выходного транзистора 4.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.2 формулы изобретения, база входного транзистора 1 соединена с источником входного напряжения 9, между первой 8 шиной источника питания и коллектором выходного транзистора 4 включен резистор коллекторной нагрузки 10, а эмиттер входного транзистора 1 соединен по переменному току со второй 11 шиной источника питания через резистор местной обратной связи 12, а также соединен со второй 11 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 13. Конденсатор 14 выполняет классическую роль разделительной емкости.
Рассмотрим работу ДУ фиг.3 в схеме фиг.4.
c4
к4
Приращение напряжения на коллекторе «К» (узел 5) составного транзистора в схеме фиг.4 вызывает изменение тока i через емкость коллектор-база С выходного транзистора 4. Данный ток поступает в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 6:
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>к</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
i
где α≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера i-гo транзистора.
12
6
c4
В эмиттерной цепи транзистора 1 при сопротивлении конденсатора 14 значительно меньшем, чем R, происходит перераспределение тока αiмежду эмиттером транзистора 1 и резистором местной обратной связи 12:
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>э</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><msub><mi>i</mi><mrow><mi>к</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>α</mi><mn>6</mn></msub><msub><mi>К</mi><mi>d</mi></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mi>c</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mi>d</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>12</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
к6
эl
12
где
- коэффициент деления тока i между r и R;
эl
r≈20÷30 Ом - сопротивление эмиттерного р-n перехода транзистора 1.
Таким образом, коллекторный ток транзистора 4 и, следовательно, суммарный ток коллектора составного транзистора
к4
6
1
4
d
c4
i=αααKi, (3)
кΣ
c4
к4
c4
6
1
4
d
i=i-i=i(1-αααK). (4)
Из (4) следует, что эффективная выходная емкость предлагаемого СТ уменьшается
эф.к4
6
1
4
d
к4
i
C=(1-αααK)=C(1-T), (5)
i
6
1
4
d
где T=αααK≈1.
экв
в
Как следствие, уменьшается эквивалентная постоянная времени коллекторной цепи нагрузки СТ (τ) и увеличивается верхняя граничная частота КУ фиг.4 f:
экв
к4
10
i
τ=CR·(1-T), (6)
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>∗</mo></msubsup></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac><mo>></mo><mo>></mo><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>∗</mo></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>7</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>∗</mo></msubsup></mrow>
где
- верхняя граничная частота в КУ с составным транзистором-прототипом фиг.1.
в
Данные теоретические выводы подтверждают результаты моделирования, показанные на чертеже фиг.7, - верхняя граничная частота f увеличивается в 7-8 раз (для техпроцесса ФГУП НПП «Пульсар»).
кl
к6
Вторая замечательная особенность заявляемого СТ - компенсация влияния паразитных емкостей коллектор-база C и С транзисторов 1 и 6 на входную комплексную проводимость схемы. Действительно эквивалентная входная емкость КУ в схеме фиг.4:
вх
к1
у1
к6
у2
к1
С=С(1-К)+С(1-К)<<С, (8)
<mrow><msub><mi>К</mi><mrow><mi>у</mi><mi>l</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>э</mi><mn>4</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
вх
где
- коэффициент передачи напряжения u в эмиттер транзистора 4;
<mrow><mi>К</mi><mmultiscripts><mo>=</mo><mprescripts /><mrow><mi>у</mi><mn>2</mn></mrow><none /></mmultiscripts><mfrac><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>э</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>1</mn></mrow>
вх
- коэффициент передачи напряжения u в эмиттер транзистора 1.
Третья замечательная особенность заявляемого СТ - малый входной статический ток, который может быть близок к аналогичному параметру полевых транзисторов:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>б</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>э</mi><mi>l</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mi>l</mi></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mn>7</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>β</mi><mn>6</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>9</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
бl
б6
где I, I - статические токи базы транзисторов 1 и 6;
l
6
β,β - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 1 и 6.
Из (9) следует, что за счет соответствующего выбора статического тока источника опорного тока 7 можно получить нулевой входной ток в схеме фиг.4 и его относительно слабую температурную зависимость (см. фиг.10).
Данные теоретические выводы подтверждают графики фиг.10, из которых следует, что температурные приращения входного тока заявляемого СТ в диапазоне температур 60÷80°С в 9-10 раз меньше, чем в схеме СТ-прототипа.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение СТ характеризуется более высокими значениями верхней граничной частоты, меньшей величиной входной емкости, меньшим уровнем входного статического тока и его температурного дрейфа.
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 №6.278.329
9. Патентная заявка США 2005/0225397
10. Патент США №5.451.906
11. Патент Англии GB №1431481 fig.2
12. Патент US №3.693.108 fig. 9
13. Патент US №4.021.749 fig. 2
14. Патентная заявка US 2005/0225397
15. Патент US №6.278.329.