Каскодные усилители переменного тока.
advertisement
Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Методы повышения коэффициента усиления классических каскадов на биполярных транзисторах при малых напряжениях питания ФГБОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС») Проблемная лаборатория перспективных технологий и процессов Центра исследования проблем безопасности РАН и ЮРГУЭС Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, И.В. Пахомов ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 1 ВВЕДЕНИЕ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Рассматриваются модифицированные архитектуры классических каскадов на биполярных транзисторах, обеспечивающие повышенные коэффициенты усиления по напряжению без использования динамических нагрузок на p-n-p транзисторах. ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 2 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ДУ С ПОВЫШЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Каскодные дифференциальные усилители + Rн1 Вых.1 Вых.2 +Eс1 VT7 Входной дифференциальный каскад реализован на транзисторах VT1-VT2 и VT3-VT4, статический режим которых устанавливается токостабилизирующим двухполюсником I1. Выходной дифференциальный каскод выполнен на транзисторах VT7 и VT8. Коллекторная нагрузка ДУ содержит резисторы Rн1 и Rн2. Rн2 VT8 iк7 R1 R2 iэ8 iэ7 iк6 В частном случае элементы R1 и R2 могут быть реализованы в виде p-n переходов. iк5 VT5 Коэффициент усиления по напряжению данной схемы относительно выхода Вых.1: VT6 iэ5 iк1 iк2 I2 Вх.1 VT1 VT2 iк3 iк4 VT3 VT4 Ky Вх.2 - u вых R н1 R1 1 u вх rэ1 rэ4 (rэ5 rэ6 ) При I 2 2I 0 , uвх I1=4I0 - Многоканальный каскодный усилитель с повышенным Ку ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 Ky R н1I 0 2т I1 4I 0 R 1 1 I 0 R н1 R 1 I 20 2 4 2т т ( т =26 мВ – температурный потенциал) МЭС-2012 3 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ДУ С ПОВЫШЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Коэффициент усиления, дБ 70 Новая схема 60 -3дБ: f=41∙106 Гц, Ку=58 дБ i0=2mA 50 Прототип 40 -3дБ: f=141∙106 Гц, Ку=37 дБ 30 20 10 1.0 10 100 1∙103 10∙103 100∙103 1∙106 10∙106 100∙106 1∙109 Частота, Гц Результаты компьютерного моделирования сравниваемых схем ДУ ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 4 МНОГОКАНАЛЬНЫЕ ДУ С ПОВЫШЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ Широкополосный усилитель на базе «перегнутого» ДК2 Южно-Российский каскода. государственный университет экономики и сервиса + R3 I*0 R1 R2 I0 VT3 I0 VT5 I*0 VT6 VT4 +Ec ДК1 Вх.1 VT1 Выходной, так называемый «перегнутый» каскод (ДК2) с парафазным выходом, реализован на основе транзисторов VT5 и VT6, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения Eс. Нагрузкой каскода ДК2 являются резисторы Rн1 и Rн2. Схема также обеспечивает повышенное усиление которое определяется формулой: R4 I0 VT2 I1 =2I0 Вх.2 Вых.1 I2 2I*0 Вых.2 Rн1 Rн2 - Дифференциальный усилитель с парафазным выходом ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 Ky R н1I 0 2т R R R 1 1 I 0 н1 2 1 I 20 2 4 т т МЭС-2012 5 МЕТОДЫ СОБСТВЕННОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕЗИСТОРОВ КОЛЛЕКТОРНОЙ НАГРУЗКИ В КАСКОДНЫХ УСИЛИТЕЛЯХ R2 R2 iск U1≈Ec1 R1 Вых iR1 iR1 U1>U2 R1 iR1 iR1 iск Вых А А Скб.1 uвых uвых Cкб.1 iк1 VT1 iк1 ПТ1 iск iск ПТ2 iск Ki2=1 R н.экв Ki3=1 VT1 Ec2<U1 iR2 iэ1 iск Ec1 iэ1 iR1 U 2 E c2 ПТ1 Ki1=1 Ec2 iск iпнт=S1uвх uвх iR1 uвх + + iR1 iR1 R1 U1>U2 uвых. Вых iR1 uвых icк iк1 А Скб.1 iк1 Ec2 iск VT1 U2 iэ1 ПТ2 Ki2=1 iпнт=SUвх S1 U 2 E c1 iR1 Эквивалентное сопротивление в коллекторной цепи транзистора VT1 ПТ1.2 Ki1=1 iR1 iск iэ1 Вх iR1 S1 K i i э1 i R1 1 ПТ1.1 iск Ec1 Ec2 icк Вх. VT1 ПТ1 Ki1=1 ПТ1 U1 E c2 Ki2=1 iR1 А Скб.1 u вх 0 R1 R 1 1 - 1K i R2 R2 Вых. Ec1 S1 iпнт=S1uвх R1 u вых i вых iск Вх Вх S1 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса + + iпнт=S1uвх uвх uвх. iR1 Эквивалентный коэффициент передачи по току цепи компенсации ПТ1 Ec1 При 1 0,99 , K i 1 коэффициент Kу увеличивается на один-два порядка. Архитектуры каскодных усилителей с цепями собственной компенсации низкоомного резистора R1 ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 6 ТОКОВАЯ RC-КОРРЕКЦИЯ В КЛАССИЧЕСКИХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДАХ УСИЛИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Каскодные усилители переменного тока. Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса + Особенности предлагаемого метода токовой RCкоррекции поясняет схема дифференциального усилителя, в которой введён специальный канал на транзисторе VT3 по схеме с общей базой и корректирующий конденсатор C1. Основные требования к элементам схемы в диапазоне рабочих частот: 1 / C1 R 2 , R2 >> rэ.3, где rэ.3 = 25÷30 Ом – сопротивление эмиттерного перехода транзистора VT3. R2 R1 I R1 А Вх.1 VT1 VT2 C1 I c Вых uвых I к 3 K y .н VT3 K y .п 3R 2 1 R 2 rэ3 1/ jC1 Коэффициент усиления напряжению ДУ по I э3 uвх.1 I1=2I0 I2=I0 - Токовая RC-коррекция в широкополосном усилителе на основе классического дифференциального каскада (VT1, VT2) ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 r 1 C 1 э3 R2 2 K y .н N y ( j) K y .п 2 2 1 r 1 2 C12 1 э3 3 R2 Выигрыш по Ky, который дает токовая RCкоррекция в схеме МЭС-2012 7 ТОКОВАЯ RC-КОРРЕКЦИЯ В КЛАССИЧЕСКИХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДАХ УСИЛИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 1 y N N y. max 1 1 f1 f2 f3 fc f Частотная зависимость коэффициента ( j) эффективности токовой RC-коррекции N y Дифференциальный коэффициент усиления, дБ 1 3 rэ3 1 R 2 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Новая схема С1=100нФ -3дБ: 52.66 дБ, 26.77 МГц С1=1нФ Прототип Сn= 0 -3дБ: 30.88 дБ, 319.3 МГц R1 = 1.6 КОм R2 = 1.2 КОм I2 = 0.7 мА I1 = 2 мА C1 = 1 нФ ÷ 100 нФ 0дБ, 11.16 ГГц Частота, Гц Результаты моделирования амплитудно-частотных характеристик ДУ с токовой RC- коррекцией Анализ данных рисунков показывает, что рассматриваемый метод RC-коррекции позволяет повысить коэффициент усиления по напряжению в диапазоне частот f2f3 до уровня, который на один-два порядка выше, чем максимальный коэффициент усиления классической схемы ДУ на постоянном токе. ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 8 ТОКОВАЯ RC-КОРРЕКЦИЯ В КЛАССИЧЕСКИХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДАХ УСИЛИТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Высокочастотная коррекция в каскодных усилителях. + R3>>rэ1 Ky R4>>rэ2 R2 2(1 2 K d )rэ iR1 iR1 R1 Вых.1 uA C1 C2 iR2 +Ес iк1≈iR2 R2 В А Ку. max K y. max K *0 K*0 1 N y1 1 2 Kd R5 R6 N y1 2rэ R4 Kd rэ 2 R 4 K y. max K0 K0 Вых.2 f f1 uВ f2 f3 fc Амплитудно-частотные характеристики практической схемы каскодного ДУ с токовой RC-коррекцией VT2 iR1 Вх.1 R2 R 5 R 6 2rэ iк2 iR1 VT1 R2 R4 2rэ u вых.2 u вх iR2 VT3 VT4 R5 R6 Вх.2 uвх I1=2I0 - Практическая схема каскодного ДУ с токовой RC-коррекцией Результаты компьютерного моделирования амплитудно-частотных характеристик ДУ при С1=С2=Сn=var ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 9 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКОВОЙ RC-КОРРЕКЦИИ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Каскодные усилители переменного тока. + 1 R 2 ωC1 I2 iR1 R3 R1 А Вых. iк2=iR1 VT2 Ky uвых C1 iR1 VT3 ЦУСР iR1 + Эффективность компенсации импеданса коллекторной нагрузки R1 в каскодных усилителях зависит от численных значений входного сопротивления (rвх.k) канала компенсации. Должно быть rвх.k<<R2. Для уменьшения rвх.k в схеме введена отрицательная обратная связь (транзистор VT3), что повышает точность передачи приращения тока через R1 (iR1) в коллектор транзистора VT2 (iк2 ≈ iR1). Схема обеспечивает повышение в N*y -раз в сравнении с каскодом без VT3 и в N *y* -раз в сравнении с классическим каскодом без токовой RCкоррекции. В I1 R0 VT1 VD1 N *y C2 1 N *y* 1 2 Вх. - Каскодный усилитель переменного тока с повышенной эффективностью компенсации импеданса R1 в базисе элементов техпроцесса SGB25VD ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 1 N*y* 2 1 rэ 2 / R 2 1 2 1 МЭС-2012 10 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКОВОЙ RC-КОРРЕКЦИИ Дифференциальный коэффициент усиления, дБ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Rн = 600 Ом R0,4 = 100 Ом In = 1 мА C0,2 = 1 мкФ C1 = 1 пФ ÷ 100 нФ +Uсм = 700 мВ ±Eп =2В Сn=100нФ Новая схема2 Сn= 1нФ ÷ 100нФ -3дБ: 44.66 дБ, 197.4 МГц Сn=1нФ Новая схема1 Сn= 100нФ Прототип Сn= 0 -3дБ: 21.58 дБ, 2.63 ГГц -3дБ: 14.94 дБ, 17.05 ГГц Частота, Гц Амплитудно-частотные характеристики каскодного усилителя рис. 10 при С1=Сn=var ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 11 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКОВОЙ RC-КОРРЕКЦИИ Каскодный ДУ с повышенной эффективностью собственной компенсации резисторов коллекторной нагрузки. + iR3 R3 Коэффициент усиления по напряжению ДУ R4 K у .предл. iR1 R1 2I0 i с1 K d1i R1 R2 Вых.1 2I0 Вых.2 iк3 C1 C2 uвых.1 VT3 iэ3 ПТ1 Кi13.1 2I0 VT3 +Еc Кi12.1=-1 ПТ2 Кi13.2 Вх.1 uвх - ДК1 VT1 VT2 i c1 1- коэффициент деления тока iR1 между i R1 резистором R3 и конденсатором С1; I0 - K у .кл. K y .кл. (1 3 K i13.1 K d1 ) K d1 iс1 I0 R1 (r1 rэ2 ) (1 3 K i13.1 K d1 ) где 3 ≈1 – коэффициент передачи по току эмиттера транзистора VT3; 2I0 Кi12.2=-1 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса Ki13.1 – коэффициент передачи по току токового зеркала ПТ1, равный отношению i э3 i с1 ; Вх.2 Ky.кл – коэффициент усиления классического ДУ без токовой RC-коррекции. I1=2I0 - Метод повышения эффективности собственной компенсации импеданса R1 (R2) Ny ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 K y .предл. 1 1 K у .кл (1 3 K i13.1 K d1 ) - выигрыш по Ky в схеме МЭС-2012 12 МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОКОВОЙ RC-КОРРЕКЦИИ Коэффициент усиления по напряжению, дБ Графики частотной зависимости K y (f) каскодных ДУ сравниваемых Новая схема Сvar=50 нФ Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса I0. Ivar = 1.2мА Сvar=200 пФ Прототип Сvar= 0 Без ПТ I0 Ivar = 0 Cvar = 8пФ ÷ 500пФ ±Es = 2.5 В -3дБ: 7.131 дБ, 28.390дБ, ГГц 58.45 ГГц Частота, Гц На рисунке приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки ( R1 R 2 R 3 R 4 150 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ повышается в диапазоне рабочих частот на 20 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с Ky классического каскода. ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 13 Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ЮРГУЭС 346500 Россия, Ростовская обл., г. Шахты ул. Шевченко, 147 МЭС-2012 14
