КАСКОДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE 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 RU 2421878.
п
п
0
0mах
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 (K) получается сравнительно небольшим (K=40÷50 дБ). В первую очередь это обусловлено неполной собственной компенсацией сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых E не могут выбираться высокоомными.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению на 20÷30 дБ (до уровня 70-80 дБ). Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскады усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы, предусмотрены новые элементы и связи - эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг.1 для случая, когда в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентом передачи по току меньше единицы используется пассивный двухполюсник - разделительный конденсатор. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На чертежах фиг.4 и фиг.5 показаны схемы заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На чертеже фиг.6 приведена схема КУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
1
12
1
На чертеже фиг.7 представлена амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.6 при изменении тока первого токостабилизирующего двухполюсника I (I, фиг.3) в пределах I=0…530 мкА с шагом 106 мкА.
На чертеже фиг.8 показана схема КУ фиг.5, в которой выходной каскод реализован на p-n-p транзисторах.
На чертеже фиг.9 приведена схема КУ фиг.8 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (npn TN15S, pnp TP15S).
1
1
12
На чертеже фиг.10 представлена амплитудно-частотная характеристика КУ фиг.9, а на чертеже фиг.11 - зависимость коэффициента усиления по напряжению КУ фиг.9 от тока двухполюсника I, соответствующего на чертеже фиг.2 - фиг.3 току первого токостабилизирующего двухполюсника 12 (I=I).
Каскодный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной преобразователь напряжение-ток, токовый выход 2 которого соединен с эмиттером первого 3 выходного транзистора, цепь установления статического режима 4, связанную с базой первого 3 выходного транзистора, первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора и выходом устройства 6, первую 7 шину источника питания, связанную с первым выводом второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки, второй вывод второго 8 двухполюсника коллекторной нагрузки и второй вывод первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки соединены друг с другом и связаны с эмиттером первого 3 выходного транзистора через неинвертирующую согласующую цепь 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы. Эмиттер первого 3 выходного транзистора соединен с базой второго 10 выходного транзистора, коллектор которого связан с первой 7 шиной источника питания, эмиттер связан со второй 11 шиной источника питания через первый токостабилизирующий источник 12 и подключен к эмиттеру третьего 13 выходного транзистора, коллектор третьего 13 выходного транзистора соединен с коллектором первого 3 выходного транзистора, база соединена с эмиттером четвертого 14 выходного транзистора и через второй токостабилизирующий источник 15 связана со второй 11 шиной источника питания, причем база четвертого 14 выходного транзистора подключена к базе первого 3 выходного транзистора, а его коллектор связан с коллектором второго 10 выходного транзистора.
Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве неинвертирующей согласующей цепи 9 с коэффициентами передачи по току меньше единицы используется разделительный конденсатор.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго токостабилизирующего источника 15 используется токовый выход второго 16 входного преобразователя «напряжение-ток».
В частном случае статический режим входных преобразователей 1 и 16 может устанавливаться источником опорного тока 17. Для симметрирования напряжений коллектор-база транзисторов 3 и 14 в частном случае могут использоваться резисторы 18 и 19.
На чертеже фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения, в качестве первого 1 и второго 16 входных преобразователей «напряжение-ток» используется дифференциальный каскад 20 с противофазными токовыми выходами, реализованный на транзисторах 21 и 22 и источнике тока 23.
На чертеже фиг.5 представлена схема фиг.4 для случая, когда в нее введен конденсатор 24, что позволяет обеспечить симметричный (парафазный) выход каскодного усилителя.
Рассмотрим работу КУ фиг.2.
9
5
Предельный коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.1 при нулевой емкости разделительного конденсатора 9 (C=0) определяется сопротивлением R первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки:
5
8
где R>>R;
1
э1
эвх
-1
S≈(r) - крутизна усиления входного преобразователя «напряжение-ток» в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая в частном случае от сопротивления эмиттерного перехода (r) входного транзистора данного преобразователя.
0
12
9
0
12
Покажем аналитически, что более высокие значения K в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.2 при токе I=0 и C≠0, что соответствует прототипу фиг.1, а еще более высокий K имеет заявляемая схема фиг.2 при токе первого 12 токостабилизирующего двухполюсника, лежащем в пределах I=100÷150 мкА.
12
9
Действительно, в общем случае комплексный коэффициент передачи по напряжению КУ фиг.2 при I=0 и С≠0 определяется по формуле:
где  - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла А.
5
8
Если емкость конденсатора 9 равна нулю, то для КУ фиг.2 при условии, что R>>R получаем формулу (1):
5
8
где R>>R - сопротивления первого 5 и второго 8 двухполюсников коллекторной нагрузки.
0
9
То есть (3) - это формула для K усилителя-прототипа при условии, что C=0.
9
12
Комплекс эквивалентной нагрузки в узле А КУ фиг.2 при C≠O и токе I=0, то есть когда транзисторы 10, 13 обесточены и не влияют на работу схемы, можно найти по формуле:
где
- комплекс сопротивления конденсатора 9 на частоте ω;
,  - токи через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 и через конденсатор 9;
- комплекс коллекторного тока транзистора 3;
- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 3.
После преобразований последней формулы находим, что
12
9
Поэтому коэффициент усиления по напряжению КУ фиг.2 при токе I=0 и C≠0
При :
9
э3
0.п
В области рабочих частот, когда 1/ωC<<r, коэффициент К не лучше, чем
.
0
12
12
9
Выигрыш по K, который дает схема КУ фиг.2 при токе I=0 в сравнении со случаем, когда в схеме фиг.2 I=0, C=0, можно оценить с помощью специального комплексного коэффициента
0
3
э3
8
9
Если ω=0, то , т.е. на постоянном токе выигрыш по коэффициенту усиления K отсутствует. При α=0,98-0,99, r/R<<1 в области средних частот, когда можно пренебрегать влиянием реактивного сопротивления конденсатора 9 (ωC=∞), реализуется значительный выигрыш по коэффициенту усиления:
8
э3
В лучшем случае при R>>r
у
Однако с учетом реальных значений параметров элементов знаменатель формулы (9) достаточно существенно отличается от нуля, что не позволяет реализовать в КУ-прототипе предельные значения N и, как следствие, коэффициента усиления по напряжению.
9
В схеме КУ фиг.2, которая является развитием схемы фиг.1, на передачу тока i в узел А оказывают влияние дополнительные элементы 10, 12, 13, 14, 15.
0.н
9
12
Можно показать, что эффективный коэффициент усиления по напряжению (K) каскодного усилителя фиг.2 в области средних частот, когда влиянием сопротивления 1/Сω можно пренебречь, а ток I≠0, определяется по формуле
где ;
0
I - статический ток эмиттера транзисторов 3 и 14;
- коэффициент деления тока через резистор 5 между двухполюсником 8 и эмиттером транзистора 3.
12
Таким образом, в заявленной схеме на коэффициент усиления по напряжению оказывает влияние ток первого 12 токостабилизирующего двухполюсника I:
12
0.н
За счет выбора тока I в схеме фиг.2 можно обеспечить практически любое значение K, что недостижимо в КУ-прототипе.
max
у
Так, например, для получения N-кратного выигрыша по K необходимо обеспечить отношение токов
max
12
Как показывают графики фиг.11, при N=10 численные значения тока I≈600 мкА.
Данные теоретические выводы подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.7, фиг.10, фиг.11.
Таким образом, заявляемое схемотехническое решение характеризуется более высокими значениями коэффициента усиления по напряжению.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6825723 fig.3.
2. Патент США №4151483 fig.2.
3. Патент США №4151484.
4. Патент США №3882410 fig.3.
5. Патентная заявка WO 2004/030207.
6. Патент США №4021749 fig.2.
7. Патент США №3693108 fig.9.
8. Патент США №7113043 fig.2.
9. Патентная заявка США 2006/003 35 62.
10. Патентная заявка США 2006/0132242.
11. Патентная заявка США 2006/0119435.
12. Патентная заявка США 2005/0248408.
13. Патент США №6204728.
14. Патент США №6278329.
15. Патентная заявка США 2005/0225397.
16. Патент США №5451906.
17. Патент США №7098743 fig.1.
18. Патент Англии GB №1431481 fig.2.
19. Патент США №6515547 fig.2.