ITMI990350A1

ITMI990350A1 - Amplificatore a multistadio a guadagno variabile ad elevata banda di frequenza e ridotte variazioni di fase

Info

Publication number: ITMI990350A1
Application number: IT1999MI000350A
Authority: IT
Inventors: Valerio Pisati; Salvatore Portaluri; Stefano Marchese; Alessandro Savo
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2000-08-19
Also published as: US6246289B1; EP1030442A1; EP1030442B1; DE69901781D1; IT1309712B1

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un amplificatore multistadio a guadagno variabile ad elevata banda di frequenza e ridotte variazioni di fase. Più particolarmente, il trovato riguarda un amplificatore multistadio a guadagno programmabile adatto per la realizzazione di stadi di guadagno variabile dove il range di controllo deve avere un'ampia scala di programmai -lità con caratteristiche di linearità in dB.

Come è noto, nella realizzazione di stadi di guadagno variabile vengono impiegate strutture moltiplicatrici analogiche, quali ad esempio il moltiplicatore di Gilbert, una cui realizzazione è illustrata nella figura 1.

Tale circuito è di tipo completamente differenziale,prevede l'applicazione di un segnale differenziale IN- e IN+ il quale viene trasformato da tensione a corrente in modo tale che la corrente in uscita dal ponte della cella di Gilbert sia data da un componente statica dovuta alla corrente fornita dal generatore di corrente Io, più una componente di segnale dovuta alla tensione differenziale di ingresso IN- e IN+ divisa per la resistenza RE.

La componente della corrente dovuta alla tensione differenziale di ingresso è data dalla transconduttanza dello stadio di ingresso composto dai transistori bipolari 1 e 2 e precisamente:

dove gm è la transconduttanza dei transistori 1 e 2.

Se ora si suppone che gm-Rg sia molto maggiore di 1, allora gm è circa uguale a 1/RE .

Una tensione di controllo variabile Vc è applicata tra la base di un transistore 4 e le basi di transistori 3 e 5.

Risolvendo matematicamente le equazioni circuitali opportune si ricava che il guadagno del circuito della figura 1 è pari :

G = RL/RE - [1/(1 e<Vc>/<vt>)]

dove Vt la tensione di sogl ia di transistori .

Da tale espressione si può verificare come trasformando in dB il guadagno, mediante i logaritmi , per avere una l inearità del guadagno si deve impiegare una tensione di controllo Ve opportuna.

Il massimo guadagno ottenibile dalla struttura illustrata dalla figura 1 è comunque RL /2/RE nel caso in cui la tensione di controllo Vc sia uguale a 0.

Questo comporta il fatto che il limite superiore del guadagno presenta un massimo oltre il quale è impossibile andare che è ottenibile diminuendo la tensione Ve fino a 0, ossia nel caso in cui il moltiplicatore di Gilbert sia bilanciato.

Quindi , qualora si desidera real izzare un guadagno elevato, si deve rendere grande il rapporto tra RL e RE, aumentando il valore della resistenza di carico RL rispetto al la resistenza RE. In termini pratici questo comporta il fatto che si crea un polo parassita molto grande dato dal prodotto della resistenza RE per la capacità parassita C, in modo tale che ad un aumento del guadagno si accompagna inevitabilmente una riduzione del la banda che risulta essere un notevole inconveniente.

Una ulteriore forma di realizzazione, di tipo noto, di un amplificatore a guadagno variabile è fornita nei documenti anteriori JP 02260906A e JP 01032509A in cui è descritto sostanzialmente un circuito come illustrato nella figura 2 in cui il circuito di tipo differenziale è mostrato solo per metà.

In tale figura è illustrato uno stadio differenziale di ingresso a cui è immesso un segnale differenziale IN, e tale stadio differenziale di ingresso è collegato ad un diodo (il circuito differenziale completo è ovviamente collegato ad una coppia di diodi) Q3 il cui terminale di catodo è collegato al terminale di base di un transistore bipolare Q4 il quale ha il terminale di collettore collegato alla tensione di alimentazione tramite interposizione di un resistore di carico RL e il terminale di emettitore collegato ad un generatore di corrente 12.

Il segnale di ingresso IN è immesso ad un transistore bipolare Q1 il cui terminale di collettore è collegato al terminale di catodo del diodo Q3 e il cui terminale di emettitore è collegato ad un resistore RE il quale a sua volta è collegato ad un generatore di corrente 211

Capacità parassite CL sono rispettivamente collegate tra il terminale di collettore del transistore Q4 e il resistore RL (capacità parassita CL) e tra il terminale di collettore del transistore Q1 e il catodo del diodo Q3 (capacità parassita Cp).

Da tale configurazione circuitale è possibile ricavare il guadagno in tensione che è dato da:

ottenuto in prima approssimazione trascurando l 'effetto del transistore di ingresso Ql.

La risposta in frequenza è invece data dal grafico illustrato nel la figura 3, in cui il primo polo della funzione di trasferimento è pari a

mentre il secondo polo è dato principalmente dal contributo della capacità parassita Cp al nodo VI più tutte le l imitazioni date dai transistori Ql, Q4 e Q3.

Compito precipuo del presente trovato è quindi quello di realizzare un ampl ificatore multi stadio a guadagno programmabile che abbia elevata banda di frequenza e ridotte variazioni di fase.

Nell 'ambito di questo compito uno scopo del presente trovato è quello di real izzare un ampl ificatore a guadagno variabile che abbia un ampio interval lo di programmaci ita.

Non ultimo scopo del presente trovato è quel lo di realizzare un amplificatore a guadagno variabile che sia di elevata affidabil ità, di relativamente facile realizzazione a costi competitivi .

Questo compito, nonché questi e altri scopi che meglio appariranno in seguito sono raggiunti da un ampl ificatore multi stadio a guadagno programmabile ad elevata banda di frequenza e ridotte variazioni di fase, comprendente uno stadio differenziale di ingresso polarizzato da un primo generatore di corrente, a cui è immesso un segnale differenziale di tensione e che è collegato ad una coppia diodi i cui terminali di catodo sono collegati a rispettivi transistori bipolari polarizzati da un secondo generatore di corrente e aventi i terminali di collettore collegati a resistori di carico, l 'uscita differenziale di detto amplificatore risultando in corrispondenza dei terminal i di collettore di detti transistori bipolari , caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di rami circuitali ciascuno costituito da un transistore bipolare e da un terzo generatore di corrente rispettivamente collegato ai terminali di col lettore ed emettitore di detto transistore bipolare al cui terminale di base è immesso detto segnale differenziale di tensione ed il cui terminale di collettore è collegato al terminale di catodo di uno rispettivo di detta coppia di diodi , detti rami circuitali essendo collegati tra loro mediante una coppia di condensatori .

Ulteriori caratteristiche e vantaggi del trovato risulteranno maggiormente dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, del dispositivo secondo il trovato, il lustrata a titolo indicativo e non l imitativo negl i uniti disegni , in cui :

la Fig. 1 il lustra uno schema circuitale di un ampl ificatore a guadagno variabile di tipo noto (ponte di Gilbert) ;

la Fig. 2 illustra uno schema circuitale di una seconda forma di realizzazione di un amplificatore a guadagno variabile di tipo noto;

la Fig. 3 è un grafico il lustrante il diagramma di Bode della risposta in frequenza del l 'ampl ificatore della Fig. 2;

la Fig. 4 illustra uno schema circuitale di un amplificatore multistadio secondo il presente trovato;

la Fig . 5 è uno schema circuitale per piccoli segnali ricavato dallo schema circuitale del la Fig . 4; e

la Fi g . 6 e la Fig. 7 illustrano diagrammi di Bode del l 'amplificatore del la Fig. 4.

Nel le diverse figure elementi ugual i sono contrassegnati da numeri di riferimento ugual i .

Con riferimento quindi alle figure 4-6, l 'amplificatore multistadio secondo il presente trovato comprende una coppia di transistori bipolari di ingresso Q1 e Q2 costituenti uno stadio differenziale di ingresso ai cui terminali di base è fornito un segnale differenziale di ingresso Vin e Vip. Lo stadio di ingresso è polarizzato da un primo generatore di corrente 21 j, attraverso una coppia di resistenze RE.

I terminali di col lettore dei transistori Q1 e Q2 sono rispettivamente col legati ai terminali di catodo di una coppia di diodi Q3 i cui terminal i di anodo sono col legati alla tensione di alimentazione.

Un'ulteriore coppia di transistori bipolari Q4 e Q5 sono col legati con i terminali di base ai rispettivi terminal i di catodo dei diodi Q3, con i terminali di emettitore in comune e con i terminali di collettore alla tensione di alimentazione, mediante resistori RL .

I transistori bipolari Q4 e Q5 sono polarizzati da un secondo generatore di corrente 2I2 atto ad im mettere corrente ai rispettivi terminali di emettitore dei transistori Q4 e Q5.

La pecul iarità del trovato consiste nel fatto di prevedere una ulteriore coppia di rami circuital i ciascuno costituito da un transistore bipolare Q0 e da un terzo generatore di corrente IQ rispettivamente collegati ai tenniriali di collettore ed emettitore del transistore bipolare Q0. Al terminale di base di tale transistore è immesso il segnale differenziale di tensione e il suo terminale di collettore è collegato al terminale di catodo del relativo diodo Q3 della coppia di diodi Q3.

I rami circuitali sopra citati sono collegati tra loro mediante una coppia di condensatori CE.

Capacità parassite CL sono rispettivamente presenti in corrispondenza dei terminali di collettore dei transistori Q4 e Q5.

Supponendo ora che l'effetto delle capacità parassite CL_ ai nodi VI sia trascurabile,come pure l'effetto dei transistori Qo e Ql, la funzione di trasferimento è la seguente:

dove gmO, gm1, gm2, e gm3 sono le transconduttanze dei relativi transistori bipolari QO, Ql, Q2 e Q3.

Nel caso realistico in cui gm1-RE»l, si ottiene:

Si è quindi introdotto uno zero reale negativo (oltre ad un polo) alla frequenza:

Eseguendo calcoli accurati si trova la dipendenza dello zero dalla corrente IQ e quindi la programmaciita in frequenza dello zero introdotto mediante i due ulteriori rami circuitali.

Considerando a questo proposito il circuito per piccoli segnali della figura 5, si ha:

A seconda dei valori di corrente I0 si possono avere due differenti situazioni sui relativi diagrammi di Bode dell'ampiezza, illustrati nelle figure 6 e 7.

Analogamente, la presenza dello zero e del polo aggiunti mediante l'introduzione della coppia di rami circuital i sopra descritti influenza pure i diagrammi di Bode della fase.

Si è in pratica constatato come l 'amplificatore a guadagno variabile secondo il trovato assolva pienamente il compito prefissato in quanto consente di ottenere un guadagno l ineare in dB il cui valore è determinato unicamente da una o più correnti variabil i a piacimento, mantenendo una banda elevata dato che per l 'aumento del guadagno non occorre agire sulle resistenze di carico RL .

L'amplificatore a guadagno variabile così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti , tutte rientranti nell 'ambito del concetto inventivo.

Infine, tutti i dettagl i potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti .

Laddove le caratteristiche tecniche nel le rivendicazioni sono seguite da riferimenti numerici e/o sigle, detti riferimenti numerici e/o sigle sono stati aggiunti al l 'unico scopo di aumentare l ' intel ligibilità delle rivendicazioni e pertanto detti riferimenti numerici e/o sigle non producono alcun effetto sull 'ambito di ciascun elemento identificato solo a titolo indicativo da detti riferimenti numerici e/o sigle.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore multi stadio a guadagno programmabile ad elevata banda di frequenza e ridotte variazioni di fase, comprendente uno stadio differenziale di ingresso polarizzato da un primo generatore di corrente, a cui è immesso un segnale differenziale di tensione e che è collegato ad una coppia diodi i cui terminali di catodo sono collegati a rispettivi transistori bipolari polarizzati da un secondo generatore di corrente e aventi i terminal i di collettore collegati a resistori di carico, l 'uscita differenziale di detto amplificatore risultando in corri spondenza dei terminal i di collettore di detti transistori bipolari , caratterizzato dal fatto di comprendere una coppia di rami circuitali ciascuno costituito da un transistore bipolare e da un . terzo generatore di corrente rispettivamente col legato ai terminali di col lettore ed emettitore di detto transistore bipolare al cui terminale di base è immesso detto segnale differenziale di tensione ed il cui terminale di collettore è collegato al terminale di catodo di uno rispettivo di detta coppia di diodi , detti rami circuital i essendo collegati tra loro mediante una coppia di condensatori .
2. Amplificatore a guadagno variabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto secondo generatore di corrente è col legato ai terminali di emettitore di detti transistori .
3. Amplificatore a guadagno variabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i terminali di emettitore di detti transistori bipolari sono collegati tra di loro. 5. Amplificatore a guadagno variabile secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto stadio differenziale di ingresso comprende una coppia di transistori bipolari ai cui rispettivi terminali di emettitore sono collegati resi stori , detto generatore di corrente coll egati al lo stadio differenziale essendo col legato ad un nodo di col legamento tra detti resistori del lo stadio. 6. Amplificatore a guadagno variabile secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto segnale di tensione differenziale è immesso ai terminali di base di detti transistori bipolari dello stadio differenziale di ingresso.