КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH CONTROLLED GAIN

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Управляемый усилитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ- и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.
В современной ВЧ- и СВЧ-микросхемотехнике находят широкое применение каскодные дифференциальные усилители (КДУ), которые благодаря слабой внутренней обратной связи относятся к числу наиболее высокочастотных. Все известные КДУ [1÷69] можно разделить на два больших подкласса - классические КДУ на однотипных транзисторах и так называемые «перегнутые» каскоды, у которых выходные транзисторы имеют (в сравнении с входными транзисторами) другой тип проводимости.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является КДУ, описанный в патенте US № 5.586.092 (фиг.5). Он содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы и первый 4 и второй 5 токовые входы, соединенные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, элементы нагрузки 8, связанные с коллекторами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, источник напряжения смещения 9, связанный с базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов через первый 10 и второй 9 противофазные источники усиливаемого сигнала.
Существенный недостаток известного КДУ состоит в том, что он не имеет специального входа «У» для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению. Это существенно сужает область его использования, не позволяет реализовывать на его основе адаптивные функциональные узлы перспективных систем связи.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению КДУ. Реализация этой цели позволяет выполнять на базе заявляемого устройства не только широкополосные ВЧ- и СВЧ-усилители с регулируемыми параметрами, но создавать на его основе более сложные функциональные узлы, например аналоговые перемножители сигналов по техпроцессу SG25H2.
Дополнительная цель - реализация на базе известного КДУ функции аналогового смесителя и/или аналогового перемножителя двух напряжений.
Поставленные цели достигаются тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.2), содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы и первый 4 и второй 5 токовые входы, соединенные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, элементы нагрузки 8, связанные с коллекторами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, источник напряжения смещения 9, связанный с базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов через первый 10 и второй 9 противофазные источники усиливаемого сигнала, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттером первого 6 выходного транзистора и шиной источника питания включен первый дополнительный конденсатор 12, а коллекторы выходных транзисторов 6 и 7 соединены друг с другом и подключены к элементу нагрузки 8.
Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 показано заявляемое устройство в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 представлен вариант построения КДУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.5 представлен вариант построения КДУ в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На чертеже фиг.6 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.5 формулы изобретения.
На чертеже фиг.7 представлена схема управляемого усилителя фиг.2, в котором организован псевдодифференциальный выход за счет параллельного включения двух схем фиг.6.
На чертежах фиг.8 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.8 представлены на чертежах фиг.9-10:
u
y
- зависимость коэффициента усиления по напряжению K от частоты f при разных значениях напряжения управления U=+1B÷-1В (фиг.9);
u
y
- зависимость коэффициента усиления по напряжению K от напряжения на управляющем входе U (фиг.10).
На чертеже фиг.11 показана схема КДУ фиг.7 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертежах фиг.12-13 результаты ее компьютерного моделирования:
- зависимость коэффициента усиления по напряжению  для
y
несимметричного выхода от напряжения на неинвертирующем входе u (фиг.12);
u
y
- зависимость коэффициента усиления K от частоты при разных напряжениях на управляющем входе u (фиг.13).
y
x
x
y
Схема аналогового перемножителя напряжений u и u (фиг.4) в среде PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП НПП «Пульсар» приведена на чертеже фиг.14. В частном случае АПН фиг.4 (фиг.14) может использоваться в качестве управляемого усилителя u, коэффициент усиления которого зависит от напряжения U.
На чертеже фиг.15-16 приведены данные компьютерного моделирования схемы перемножителя (управляемого усилителя) (фиг.14):
x
y
x
y
- результаты перемножения (смешения) двух синусоидальных напряжений u и u с частотами f=10 МГц и f=100 кГц (модуляционная характеристика) (фиг.15);
вых
- спектр выходного напряжения u перемножителя (смесителя) (фиг.14). График фиг.16 показывает, что выходной сигнал не содержит гармонической составляющей с частотой f=10 мГц.
Каскодный дифференциальный усилитель с управляемым усилением содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы и первый 4 и второй 5 токовые входы, соединенные с эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, элементы нагрузки 8, связанные с коллекторами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, источник напряжения смещения 9, связанный с базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов через первый 10 и второй 9 противофазные источники усиливаемого сигнала. Между эмиттером первого 6 выходного транзистора и шиной источника питания включен первый дополнительный конденсатор 12, а коллекторы выходных транзисторов 6 и 7 соединены друг с другом и подключены к элементу нагрузки 8.
В схеме фиг.4 в соответствии с п.2 формулы изобретения амплитуда напряжения второго источника 11 усиливаемого сигнала значительно превышает амплитуду напряжения первого 10 противофазного источника усиливаемого сигнала.
x
y
В схеме фиг.5 в соответствии с п.3 формулы изобретения между эмиттером второго 7 выходного транзистора и шиной одного из источников питания включен второй 18 дополнительный конденсатор. Эта схема приобретает не только свойства управляемого усилителя, но и перемножителя (смесителя) двух сигналов u и u.
В схеме фиг.6 в соответствии с п.4 формулы изобретения в качестве выходных транзисторов 6 и 7 используются полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, а в качестве источника напряжения смещения 9 - общая шина источников питания 19.
В схеме фиг.7 в соответствии с п.5 формулы изобретения проводимость выходных 6 и 7 транзисторов противоположна проводимости входных транзисторов 13 и 14 преобразователя «напряжение-ток» 1, причем эмиттеры выходных 6 и 7 транзисторов связаны с шиной источника питания 20 через первый 21 и второй 22 вспомогательные резисторы.
Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2).
4
5
0
э6
э7
В статическом режиме выходной статический ток I= Iпреобразователя (1) устанавливает заданный уровень I токов эмиттера I, Iвыходных транзисторов 6 и 7:
Статическое напряжение на базах транзисторов 6 и 7 определяется источником напряжения смещения 9.
э6
x
8
Если реактивное сопротивление конденсатора 12 значительно меньше, чем сопротивление эмиттерного перехода r транзистора 6, то коэффициент усиления по напряжению U каскада на транзисторе 6 и двухполюснике нагрузки 8 (R) определяется формулой:
8.экв
где R - эквивалентное сопротивление нагрузки 8;
- сопротивление эмиттерного перехода транзистора 6;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
При этом следует заметить, что передача напряжения  от источника 11 через транзистор 7 на выход близка к нулю, так как в его эмиттерной цепи присутствует высокое выходное сопротивление преобразователя «напряжение-ток» по цепи выхода 5.
y
Если напряжение u получает положительное приращение, то это
4
y
5
(+)
вызывает увеличение тока I на величину i  и уменьшение тока I на величину :
15
где R - сопротивление двухполюсника 15 (фиг.2).
Как следствие суммарный ток через резистор нагрузки 8 не изменяется:
x
а коэффициент усиления напряжения u источника (10) увеличивается:
y
u
С другой стороны, u<0 этот коэффициент усиления K уменьшается:
u
Графики фиг.9-10 подтверждают, что при выбранных параметрах элементов K изменяются в 70÷100 раз.
x
y
y
x
x
y
x
y
Замечательная особенность заявляемого устройства (фиг.4) состоит в том, что он может выполнять функции не только управляемого усилителя, но и аналогового перемножителя и/или смесителя двух сигналов u и u (фиг.15, 16). Действительно при изменении u противофазно изменяется величина токов эмиттера транзисторов 6 и 7, что увеличивает (или уменьшает) передачу противофазных сигналов u и  на выход устройства. Как следствие, фаза выходного напряжения и его численные значения изменяются в зависимости от отношения u и u. Это является необходимым условием для перемножения (смешения) двух напряжений u и u.
x
y
y
Для качественного перемножения u и u необходимо, чтобы реактивное сопротивление конденсаторов 12 и 18 для частоты ω канала «Y» было значительно больше, чем сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 6 и 7.
x
y
Графики фиг.15-16 подтверждают наличие у схемы фиг.4 четырехквадратных перемножающих свойств - напряжение u модулируется напряжением u.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.568.092, фиг.8.
2. Патент США №6.366.166, фиг.4.
3. Патент США №6.882.223, фиг.5.
4. Патент США №6.515.547, фиг.9.
5. Патентная заявка US 2005/0104661, фиг.5.
6. Патентная заявка US 2006/0049874, фиг.413.
7. Патентная заявка US 2006/0071712, фиг.4.
8. Патентная заявка US 2006/0164171, фиг.4.
9. Патентная заявка US 2005/0174175, фиг.2.
10. Патентная заявка US 2004/0246051, фиг.1.
11. Патент США №6.100.759, фиг.3.
12. Патент США №6.642.787.
13. Патент ЕР №1.480.333.
14. Патент WO 03/084054.
15. Патент США №3.660.773.
16. Патент Франции №1.484.340.
17. Патент ФРГ №1.214.775.
18. Патент Англии №1520085.
19. Патент США №3.482.177.
20. Патент Англии №1212342.
21. Патент ФРГ №1537590.
22. Патент Франции №1548008.
23. Патентная заявка ФРГ №2418455.
24. Патент Франции №2227574.
25. Авт. свид. СССР №970638.
26. Патент Швеции №359989.
27. Патент Англии №1500993.
28. Авт. свид. СССР №276170.
29. Патент Англии №1334759.
30. Патент США №6.304.143.
31. Патент США №5.418.491
32. Патент США №4.463.319.
33. Патент США №6.717.474.
34. Патент США №6.734.720
35. Патент США №4.723.111.
36. Патент США №4.293.824.
37. Патент США №5.323.121.
38. Патент США №5.091.701.
39. Патент США №4.406.990.
40. Патент США №5.422.600.
41. Патент США №6.788.143.
42. Патент США №4.274.061.
43. Патент США №5.327.100.
44. Патент США №5.786.729.
45. Патент США №3.644.838.
46. Патент США №4.600.893.
47. Патент США №4.390.850.
48. Патент США №6.628.168.
49. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
50. Патент США №6.218.900, фиг.1.
51. Патентная заявка US 2002/0196079.
52. Патент США Re 30.587.
53. Патент ЕР №1.227.580.
54. Патент США №6.714.076.
55. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.
56. Патент США №4.959.622, фиг.1.
57. Патент США №6.018.268.
58. Патент США №5.952.882.
59. Патент США №6.580.325.
60. Патент США №6.965.266.
61. Патент США №6.867.643.
62. Патент США №6.236.270.
63. Патент США №6.229.394.
64. Патент США №5.734.296.
65. Патент США №5.477.190.
66. Патент США №6.084.475.
67. Патент США №3.733.559.
68. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.
69. Патент США №6.300.831.