RU2571369C1 - Cascode amplifier with extended frequency band - Google Patents

Cascode amplifier with extended frequency band Download PDF

Info

Publication number
RU2571369C1
RU2571369C1 RU2014144761/08A RU2014144761A RU2571369C1 RU 2571369 C1 RU2571369 C1 RU 2571369C1 RU 2014144761/08 A RU2014144761/08 A RU 2014144761/08A RU 2014144761 A RU2014144761 A RU 2014144761A RU 2571369 C1 RU2571369 C1 RU 2571369C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
current
amplifier
output transistor
additional
Prior art date
Application number
RU2014144761/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Петр Сергеевич Будяков
Николай Владимирович Бутырлагин
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority to RU2014144761/08A priority Critical patent/RU2571369C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2571369C1 publication Critical patent/RU2571369C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: device includes an input voltage-to-current converter, the current output of which is connected to the emitter of an output transistor, a bias voltage source connected to the base of the output transistor, a two-terminal element of a collector load connected between the power supply bus and the output of the device, which is connected to the collector of the output transistor. The output of the device is connected to the input of an additional current amplifier through an additional balancing capacitor, wherein the output of the additional current amplifier is connected to the emitter of the output transistor.
EFFECT: extending the operating frequency range of the cascode amplifier without deterioration of voltage gain.
5 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, broadband and selective amplifiers of the high and microwave ranges).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические каскодные усилители (КУ) с резистивной (или индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходного транзистора - каскада с общей базой [1-21].In modern microelectronics, classical cascode amplifiers (KUs) with a resistive (or inductive) load included in the collector circuit of an output transistor – cascade with a common base are widely used [1-21].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является КУ фиг. 1 по патенту Испании ES 2.079.397, fig. 9.Closest to the technical nature of the claimed device is KU fig. 1 according to Spanish patent ES 2.079.397, fig. 9.

Существенный недостаток известного КУ, архитектура которого присутствует также во многих других патентах [1-21], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (fв по уровню -3 дБ). Это обусловлено отрицательным влиянием паразитных емкостей на подложку (Cп) выходного транзистора и его емкостью коллектор-база (Cкб). Численные значения Cп и Cкб для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе КУ фиг. 1.A significant drawback of the well-known KU, the architecture of which is also present in many other patents [1-21], is that it does not have high enough upper cutoff frequency (f in -3 dB level). This is due to the negative influence of stray capacitance on the substrate (C p ) of the output transistor and its collector-base capacitance (C kb ). The numerical values of C p and C kb for technological processes having, for example, increased radiation resistance, are one of the main factors that determine the frequency range of broadband amplifiers based on KU of FIG. one.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ без ухудшения коэффициента усиления по напряжению.The main objective of the invention is to expand the range of operating frequencies of the KU without deterioration of the voltage gain.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном усилителе фиг. 1, содержащем входной преобразователь «напряжение-ток» 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, источник напряжения смещения 3, подключенный к базе выходного транзистора 2, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и выходом устройства 6, который связан с коллектором выходного транзистора 2, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 6 соединен со входом дополнительного усилителя тока 7 через дополнительный корректирующий конденсатор 8, причем выход дополнительного усилителя тока 7 подключен к эмиттеру выходного транзистора 2.The problem is solved in that in the cascode amplifier of FIG. 1, containing an input voltage-current converter 1, the current output of which is connected to the emitter of the output transistor 2, a bias voltage source 3 connected to the base of the output transistor 2, a collector load 2-pole 4 connected between the power supply bus 5 and the output of the device 6, which is connected to the collector of the output transistor 2, new elements and connections are provided - the output of the device 6 is connected to the input of an additional current amplifier 7 through an additional correction capacitor 8, and the output is supplemented The current amplifier 7 is connected to the emitter of the output transistor 2.

Схема усилителя-прототипа показана на чертеже фиг. 1. Схема фиг. 1б имеет типовое построение преобразователя «напряжение-ток» 1. На чертеже фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с пп. 1 и 2 формулы изобретения.A prototype amplifier circuit is shown in FIG. 1. The circuit of FIG. 1b has a typical construction of a voltage-current converter 1. In the drawing of FIG. 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with paragraphs. 1 and 2 of the claims.

На чертеже фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ОАО «НИИ Пульсар» с конкретным выполнением основных функциональных узлов.In the drawing of FIG. 3 is a diagram of the inventive device of FIG. 2 in the environment of PSpice on models of integrated transistors of OJSC “Research Institute of Pulsar” with specific implementation of the main functional units.

На чертеже фиг. 4 показана амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению КУ фиг. 3 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Cк (конденсатора 8 - в обозначениях фиг. 2). Из данных графиков следует, что диапазон рабочих частот заявляемого каскодного усилителя расширяется более чем в 5 раз.In the drawing of FIG. 4 shows the amplitude-frequency characteristic of the voltage gain of the gain factor of FIG. 3 at different values of the capacitance of the correction capacitor C k (capacitor 8 in the notation of Fig. 2). From these graphs it follows that the operating frequency range of the claimed cascode amplifier extends more than 5 times.

Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной преобразователь «напряжение-ток» 1, токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора 2, источник напряжения смещения 3, подключенный к базе выходного транзистора 2, двухполюсник коллекторной нагрузки 4, включенный между шиной источника питания 5 и выходом устройства 6, который связан с коллектором выходного транзистора 2. Выход устройства 6 соединен со входом дополнительного усилителя тока 7 через дополнительный корректирующий конденсатор 8, причем выход дополнительного усилителя тока 7 подключен к эмиттеру выходного транзистора 2. Паразитный конденсатор 9 моделирует влияние на fв паразитной емкости на подложку транзистора 2, а также емкости нагрузки, а паразитный конденсатор 10 - емкости коллектор-база транзистора 2.The extended-range cascode amplifier of FIG. 2 contains an input voltage-current converter 1, the current output of which is connected to the emitter of the output transistor 2, a bias voltage source 3 connected to the base of the output transistor 2, a collector load 4-terminal, connected between the power supply bus 5 and the output of the device 6, which connected to the collector of the output transistor 2. The output of the device 6 is connected to the input of the additional current amplifier 7 through an additional correction capacitor 8, and the output of the additional current amplifier 7 is connected to the emitt py output transistor 2. Deflection capacitor 9 simulates the effect on f in the parasitic capacitance of the transistor on the substrate 2 and the load capacitance, and a parasitic capacitor 10 - capacitance of the transistor collector-base 2.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, дополнительный усилитель тока 7 имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току больше единицы.In the drawing of figure 2, in accordance with paragraph 2 of the claims, the additional current amplifier 7 has a low input and high output impedance, and its current transfer coefficient is greater than unity.

Рассмотрим работу КУ фиг. 2.Consider the operation of the control unit of FIG. 2.

В области высоких частот, на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинает влиять паразитная емкость на подложку 9 в цепи коллектора транзистора 2 и емкость 10 коллектор-база транзистора 2, через которые протекают составляющие паразитных токов:In the high-frequency region, the amplitude-frequency characteristic of the CS of FIG. 2, the stray capacitance begins to affect the substrate 9 in the collector circuit of transistor 2 and the collector-base capacitance 10 of transistor 2, through which stray current components flow:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I ˙ 9

Figure 00000002
, I ˙ 10
Figure 00000003
- комплексы токов через паразитные конденсаторы 9 и 10;Where I ˙ 9
Figure 00000002
, I ˙ 10
Figure 00000003
- complexes of currents through stray capacitors 9 and 10;

Figure 00000004
- комплекс напряжения на выходе устройства 6;
Figure 00000004
- voltage complex at the output of device 6;

Z ˙ 9 = 1 j ω C 9

Figure 00000005
- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 9 на частоте сигнала ω; Z ˙ 9 = one j ω C 9
Figure 00000005
- the complex resistance of the parasitic capacitor 9 at a signal frequency ω;

Z ˙ 10 = 1 j ω C 10

Figure 00000006
- комплексное сопротивление паразитного конденсатора 10 на частоте сигнала ω. Z ˙ 10 = one j ω C 10
Figure 00000006
- the complex resistance of the parasitic capacitor 10 at the frequency of the signal ω.

Напряжение U ˙ в ы х

Figure 00000007
создает в дополнительном корректирующем конденсаторе 8 комплекс токаVoltage U ˙ at s x
Figure 00000007
creates a current complex in an additional correction capacitor 8

Figure 00000008
Figure 00000008

где Z ˙ 8 = 1 j ω C 8

Figure 00000009
- комплекс сопротивления дополнительного корректирующего конденсатора 8.Where Z ˙ 8 = one j ω C 8
Figure 00000009
- resistance complex additional correction capacitor 8.

Приращение тока через конденсатор 8 передается в эмиттер, а затем в коллектор транзистора 2. Поэтому в коллекторной цепи транзистора 2 обеспечивается взаимная компенсация суммы токов I ˙ 9 + I ˙ 10

Figure 00000010
и тока коллектора транзистора 2: I ˙ к 2 = K i α 2 I ˙ с к
Figure 00000011
, где α2 - коэффициент усиления по току эмиттера выходного транзистора 2, Ki - коэффициент усиления по току дополнительного усилителя тока 7 (Ki≥1). Действительно, в достаточно широком диапазоне частот в схеме фиг. 2 можно обеспечить равенствоThe current increment through the capacitor 8 is transmitted to the emitter, and then to the collector of transistor 2. Therefore, in the collector circuit of transistor 2, mutual compensation of the sum of currents is provided I ˙ 9 + I ˙ 10
Figure 00000010
and collector current of transistor 2: I ˙ to 2 = K i α 2 I ˙ from to
Figure 00000011
where α 2 is the current gain of the emitter of the output transistor 2, Ki is the current gain of the additional current amplifier 7 (K i ≥1). Indeed, over a wide enough frequency range in the circuit of FIG. 2 equality can be ensured

Figure 00000012
Figure 00000012

Поэтому необходимая для повышения fв емкость дополнительного корректирующего конденсатора 8 рассчитывается по формулеTherefore, necessary to increase f in the capacity of the additional correction capacitor 8 is calculated by the formula

Figure 00000013
Figure 00000013

где Kiα2>1.where K i α 2 > 1.

В конечном итоге при выполнении условия (4) диапазон рабочих частот КУ фиг. 2 расширяется. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования фиг. 4.Ultimately, when condition (4) is satisfied, the operating frequency range of the control unit of FIG. 2 is expanding. This conclusion is confirmed by the results of computer simulation of FIG. four.

Таким образом, заявляемое схемотехническое решение каскодного усилителя характеризуется более высоким диапазоном рабочих частот.Thus, the claimed circuit design of the cascode amplifier is characterized by a higher range of operating frequencies.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №6.825.723 fig. 31. US Patent No. 6,825,723 fig. 3

2. Патент США №4.151.483 fig. 22. US Patent No. 4,151.483 fig. 2

3. Патент США №4.151.4843. US Patent No. 4,151.484

4. Патент США №3.882.410 fig. 34. US Patent No. 3,882,410 fig. 3

5. Патентная заявка WO 2004/0302075. Patent application WO 2004/030207

6. Патент США №4.021.749 fig. 26. US patent No. 4.021.749 fig. 2

7. Патент США №3.693.108 fig. 97. US Patent No. 3,693.108 fig. 9

8. Патент США №7.113.043 fig. 28. US Patent No. 7.113.043 fig. 2

9. Патентная заявка США 2006/00335629. US Patent Application 2006/0033562

10. Патентная заявка США 2006/013224210. US Patent Application 2006/0132242

11. Патентная заявка США 2006/011943511. US Patent Application 2006/0119435

12. Патентная заявка США 2005/024840812. US Patent Application 2005/0248408

13. Патент США №6.204.72813. US patent No. 6.204.728

14. Патент США №6.278.32914. US Patent No. 6,278.329

15. Патентная заявка США 2005/022539715. US patent application 2005/0225397

16. Патент США №5.451.90616. US Patent No. 5,451.906

17. Патент США №7.098.743 fig. 117. US Patent No. 7,098.743 fig. one

18. Патент Англии GB №1431481 fig. 218. British Patent GB No. 1431481 fig. 2

19. Патент США №6.515.547 fig. 219. US Patent No. 6,515,547 fig. 2

20. Патентная заявка US 2010/0283543 fig. 120. Patent application US 2010/0283543 fig. one

21. Патент ES 2.079.397, fig. 9.21. Patent ES 2.079.397, fig. 9.

Claims (2)

1. Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной преобразователь «напряжение-ток» (1), токовый выход которого соединен с эмиттером выходного транзистора (2), источник напряжения смещения (3), подключенный к базе выходного транзистора (2), двухполюсник коллекторной нагрузки (4), включенный между шиной источника питания (5) и выходом устройства (6), который связан с коллектором выходного транзистора (2), отличающийся тем, что выход устройства (6) соединен со входом дополнительного усилителя тока (7) через дополнительный корректирующий конденсатор (8), причем выход дополнительного усилителя тока (7) подключен к эмиттеру выходного транзистора (2).1. A cascode amplifier with an extended frequency range, containing an input voltage-current converter (1), the current output of which is connected to the emitter of the output transistor (2), a bias voltage source (3) connected to the base of the output transistor (2), two-terminal a collector load (4) connected between the bus of the power source (5) and the output of the device (6), which is connected to the collector of the output transistor (2), characterized in that the output of the device (6) is connected to the input of an additional current amplifier (7) through additional to rrektiruyuschy capacitor (8), wherein the additional current of the amplifier output (7) is connected to the emitter of the output transistor (2). 2. Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный усилитель тока (7) имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления, а его коэффициент передачи по току больше единицы. 2. A cascode amplifier with an extended frequency range according to claim 1, characterized in that the additional current amplifier (7) has a low input and high output impedance, and its current transfer coefficient is greater than unity.
RU2014144761/08A 2014-11-05 2014-11-05 Cascode amplifier with extended frequency band RU2571369C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014144761/08A RU2571369C1 (en) 2014-11-05 2014-11-05 Cascode amplifier with extended frequency band

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014144761/08A RU2571369C1 (en) 2014-11-05 2014-11-05 Cascode amplifier with extended frequency band

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2571369C1 true RU2571369C1 (en) 2015-12-20

Family

ID=54871337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014144761/08A RU2571369C1 (en) 2014-11-05 2014-11-05 Cascode amplifier with extended frequency band

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2571369C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5420540A (en) * 1994-08-03 1995-05-30 Analog Devices, Inc. Double-folded cascode operational amplifier
US6825723B2 (en) * 2002-05-24 2004-11-30 Nec Compound Semiconductor Devices, Ltd. Low noise gain-controlled amplifier
US6924701B1 (en) * 2002-09-03 2005-08-02 Ikanos Communications, Inc. Method and apparatus for compensating an amplifier
RU2468503C1 (en) * 2011-09-28 2012-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Cascode amplifier

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5420540A (en) * 1994-08-03 1995-05-30 Analog Devices, Inc. Double-folded cascode operational amplifier
US6825723B2 (en) * 2002-05-24 2004-11-30 Nec Compound Semiconductor Devices, Ltd. Low noise gain-controlled amplifier
US6924701B1 (en) * 2002-09-03 2005-08-02 Ikanos Communications, Inc. Method and apparatus for compensating an amplifier
RU2468503C1 (en) * 2011-09-28 2012-11-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Cascode amplifier

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2419197C1 (en) Differential amplifier with increased amplification factor as to voltage
RU2421879C1 (en) Differential amplifier with high-frequency compensation
RU2428786C1 (en) Cascode amplifier
US8279007B2 (en) Switch for use in a programmable gain amplifier
RU2427071C1 (en) Broadband amplifier
CN113640576A (en) Radio frequency power detection circuit and electronic equipment
RU2479112C1 (en) Selective amplifier
RU2536672C1 (en) Low-output capacitance composite transistor
RU2571369C1 (en) Cascode amplifier with extended frequency band
RU2568317C1 (en) Broadband bias circuit of static level in transistor stages of amplification and conversion of signals
RU2519563C2 (en) Composite transistor
RU2460206C1 (en) Cascode microwave amplifier with low supply voltage
RU2475942C1 (en) Broadband differential amplifier
RU2321156C1 (en) Broadband amplifier
RU2572388C1 (en) Extended frequency band transistor amplifier
RU2568780C1 (en) Cascade amplifier with expanded range of working frequencies
RU2421888C1 (en) Differential amplifier
RU2432667C1 (en) Differential operational amplifier with low supply voltage
RU2390919C1 (en) Controlled ac amplifier
RU2571400C1 (en) Cascode amplifier with extended frequency band
RU2468503C1 (en) Cascode amplifier
RU2515538C1 (en) Broadband amplifier based on common base (or common emitter) stage
RU2421881C1 (en) Differential amplifier
RU2468502C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2626665C1 (en) Rlc-selective amplifier with low voltage

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161106