МНОГОКАСКАДНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
MULTISTAGE ALTERNATING CURRENT AMPLIFIER

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в усилителях различного функционального назначения.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе аналоговых интерфейсов широкое применение находят усилители тока [1-36]. Такая структура стала основой построения многих подклассов усилителей, например, для осциллографов. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является многоканальный усилитель тока (фиг.1), рассмотренный в патенте US 4.380.740, fig.3, содержащий последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала.
i
Существенный недостаток известного усилителя тока и устройств на его основе состоит в том, что он не может работать как резонансный усилитель при малом токопотреблении и высоких значениях коэффициента усиления К.
i
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в формировании резонансной амплитудно-частотной характеристики коэффициентов передачи по току при сравнительно малом энергопотреблении и высоких значениях коэффициента усиления К.
Поставленная цель достигается тем, что в многокаскадном усилителе, фиг.1, содержащем последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - в каждом из токовых зеркал 1 и 2 между эмиттером выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8), (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9), (9.1, 9.2).
На фиг.1 показана схема многокаскадного усилителя-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
Схема на фиг.3 соответствует фиг.2 и используется для анализа работы УТ, фиг.2.
На фиг.4 приведена схема усилителя, фиг.3, в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов техпроцесса SGB25VD.
i
i
На фиг.5 показана зависимость от частоты коэффициента передачи тока К УТ, фиг.4, на основной неинвертирующий выход 12 (out1) и разность фаз между неинвертирующим 12 и инвертирующим 11 выходами УТ (out1, out2), а на фиг.6 - зависимости от частоты коэффициентов передачи тока K на выходы 11 и 12 (out1, out2, фиг.4).
На фиг.7 приведена резонансная зависимость коэффициента передачи тока УТ (фиг.4) со входа inp на выходы i_out1 и i_out2 от частоты.
кор
Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С равно 15 пФ.
i
кор
На фиг.8 показана зависимость от частоты разности фаз между выходами УТ (фиг.4) i_out1 и i_out2 и коэффициентов передач К на эти выходы. Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С=С равно 15 пФ.
i
На фиг.9 приведена частотная зависимость разности фаз между выходами i_out1 и i_out2 УТ (фиг.4) и коэффициенты передач К. Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) 100 пФ.
i
На фиг.10 показана зависимость коэффициента передачи тока УТ (фиг.3) К от частоты при различных значениях емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С=1÷100 пФ. Данные графики показывают, что заявляемое устройство является при C=1÷10 пФ резонансным усилителем с высокой добротностью амплитудно-частотной характеристики.
Заявляемый многокаскадный усилитель, фиг.2, содержит последовательно соединенные токовые зеркала (1), (2), каждое из которых имеет токовый вход (3), (3.1, 3.2), неинвертирующий (4), (4.1, 4.2) и инвертирующий (5), (5.1, 5.2) токовые выходы, причем каждое из токовых зеркал содержит р-n переход (6), (6.1, 6.2), включенный между его токовым входом (3), (3.1, 3.2) и неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2), и выходной транзистор (7), (7.1, 7.2), база которого соединена с токовым входом (3), (3.1, 3.2) токового зеркала. В каждом из токовых зеркал 1 и 2 между эмиттером выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) и его неинвертирующим токовым выходом (4), (4.1, 4.2) включен корректирующий конденсатор (8), (8.1, 8.2), а эмиттер выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) связан с токостабилизирующим двухполюсником (9), (9.1, 9.2).
1
2
На  фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве выходного транзистора (7), (7.1, 7.2) каждого из токовых зеркал 1 и 2 используется составной транзистор, содержащий несколько параллельно включенных биполярных транзисторов (в общем случае для транзистора 7.1 - m>1, а для транзистора 7.2 - m>1).
Кроме этого на фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения в схему введен дополнительный выходной транзистор (10), база которого связана со входом (3.1) первого 1 токового зеркала, эмиттер подключен к инвертирующему токовому выходу (5.2) второго (2) токового зеркала, а коллектор соединен с инвертирующим токовым выходом (5.1) первого (1) токового зеркала и связан с основным инвертирующим токовым выходом (11) устройства, причем в качестве основного неинвертирующего токового выхода (12) устройства используется неинвертирующий токовый выход (4.2) второго (2) токового зеркала, а токовым входом (13) устройства является токовый вход (3.1) первого (1) токового зеркала.
вх
0
вх
вx
0
В схемах на фиг.2 (фиг.3) источник входного тока 14 имеет в общем случае две составляющие i(t)=I+i - переменную (i) и постоянную I. В цепи основного инвертирующего 11 и основного неинвертирующего 12 токовых выходов могут включаться (при необходимости) резисторы нагрузки 15 и 16, осуществляющие преобразование выходных токов в выходное напряжение.
Рассмотрим работу схемы на фиг.3, соответствующую фиг.2.
вx
эi
кi
В статическом режиме, когда переменная составляющая входного тока (i) равна нулю, в транзисторах схемы и в цепях выходов 11 и 12 протекают следующие эмиттерные (I) и коллекторные (I) токи:
11
12
где I, I - статические токи, протекающие в выходных узлах 11 и 12.
вх
4.1
вх
1
вх
При синусоидальном входном сигнале i(t) выходной ток первого токового зеркала (i) для его неинвертирующего выхода 4.1 определяется суммой двух составляющих - током через р-n переход 6.1 (i) и током корректирующего конденсатора 8.1 (mi), сопротивлением которого на частоте сигнала можно пренебречь:
1
где m - число параллельно включенных транзисторов в 7.1.
Σ
Поэтому выходной ток основного неинвертирующего выхода 12 (Вых.i)
2
где m - число параллельно включенных транзисторов в 7.2.
Аналогично можно найти выходной ток основного инвертирующего токового выхода 11 устройства :
Таким образом, в первом приближении коэффициенты усиления по току предлагаемого устройства для основного неинвертирующего 12 и основного инвертирующего 11 выходов
Из уравнений (5) и (6) можно сделать вывод о том, что при больших значениях емкости корректирующих конденсаторов 8.1, 8.2 и соответствующем выборе площадей р-n переходов транзисторов 7.1, 7.2 можно получить достаточно высокое усиление (,) в широком диапазоне частот.
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5-фиг.6).
Кроме этого выполненные исследования показывают, что при малых значениях корректирующих конденсаторов 8.1, 8.2 (C=1÷10 пФ) заявляемое устройство выполняет функции избирательного усилителя как для основного инвертирующего 11, так и для основного неинвертирующего 12 выходов (фиг.7, фиг.8, фиг.10).
вх
0
Таким образом, предлагаемая схема усилителя переменного тока имеет низкие значения потребляемого статического тока, который зависит от численных значений токов двухполюсников 9.1, 9.2 и входного статического тока I=I, что позволяет использовать УТ для построения как широкополосных, так и избирательных устройств с малым энергопотреблением.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент GB 2.318.470, H03f 3/45
2. Патент ЕР 1.369.992
3. Патент США №5.874.857
4. Патент США №6.456.142, фиг.8
5. Патент США №3.931.583, фиг.9
6. Патентная заявка США №2007/0139114, фиг.1
7. Патентная заявка США №2005/0073362, фиг.1
8. Патент США №5.057.787
9. Патентная заявка WO 2004/041298
10. Патент США №5.389.840, фиг.1А
11. Патент США №5.883.539, фиг.1
12. Патентная заявка США № 2005/0052239
13. Патент США №5.151.625, фиг.1
14. Патент США №4.458.211, фиг.5
15. Патентная заявка США №2005/0030096, фиг.6
16. Патентная заявка США №2007/0090876
17. Патент США №6.727.755
18. Патент США №5.552.734, фиг.13, фиг.16
19. Патентная заявка США № 2006/0232334
20. Патент США №5.767.727
21. Патент США №6.229.395, фиг.2
22. Патент США №5.115.409
23. Патентная заявка США №2005/0231283, фиг.1
24. Патентная заявка США №2006/0066362, фиг.15
25. Патент США №5.151.624, фиг.1, фиг.2
26. Патент США №5.329.189, фиг.2
27. Патент США №4.704.738
28. Патент США №4.480.337
29. Патент США №5.825.231
30. Патент США №6.211.718, фиг.1, фиг.2
31. Патент США №5.151.624
32. Патент США №5.329.189
33. Патент США №5.331.289
34. Патент GB №2.323.728
35. Патентная заявка США №2008/0122540, фиг.1
36. Патент США №4.965.528