многокаскадный усилитель переменного тока

Формула изобретения

1. Многокаскадный усилитель переменного тока, 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 p-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, отличающийся тем, что 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).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что 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 (m ₁ 1, m₂ 1).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

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.

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_i.

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.

На фиг.5 показана зависимость от частоты коэффициента передачи тока К_i 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_i 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.

Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С_кор равно 15 пФ.

На фиг.8 показана зависимость от частоты разности фаз между выходами УТ (фиг.4) i_out1 и i_out2 и коэффициентов передач К_i на эти выходы. Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) С=С_кор равно 15 пФ.

На фиг.9 приведена частотная зависимость разности фаз между выходами i_out1 и i_out2 УТ (фиг.4) и коэффициенты передач К_i . Значение емкостей корректирующих конденсаторов (8.1, 8.2) 100 пФ.

На фиг.10 показана зависимость коэффициента передачи тока УТ (фиг.3) К_i 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).

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 - m₁ >1, а для транзистора 7.2 - m₂>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.

В схемах на фиг.2 (фиг.3) источник входного тока 14 имеет в общем случае две составляющие i_вх(t)=I₀+i_вх - переменную (i _вx) и постоянную I₀. 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.

В статическом режиме, когда переменная составляющая входного тока (i_вx) равна нулю, в транзисторах схемы и в цепях выходов 11 и 12 протекают следующие эмиттерные (I_эi ) и коллекторные (I_кi) токи:

где I₁₁, I₁₂ - статические токи, протекающие в выходных узлах 11 и 12.

При синусоидальном входном сигнале i_вх(t) выходной ток первого токового зеркала (i_4.1) для его неинвертирующего выхода 4.1 определяется суммой двух составляющих - током через р-n переход 6.1 (i_вх) и током корректирующего конденсатора 8.1 (m₁i_вх), сопротивлением которого на частоте сигнала можно пренебречь:

где m₁ - число параллельно включенных транзисторов в 7.1.

Поэтому выходной ток основного неинвертирующего выхода 12 (Вых.i )

где m₂ - 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).

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_вх=I₀, 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