Каскодные усилители переменного тока.

реклама
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
2т
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
2т

 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/ jC1
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 f2f3 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
Скачать