Научная статья на тему 'Альтернативные архитектуры широкополосных усилителей на основе дифференциальных каскадов с общей базовой и общей коллекторной цепями'

Альтернативные архитектуры широкополосных усилителей на основе дифференциальных каскадов с общей базовой и общей коллекторной цепями Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
195
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УСИЛИТЕЛИ / ФАЗОРАСЩЕПИТЕЛИ / АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ ИНТЕРФЕЙСЫ / DIFFERENTIAL AMPLIFIERS / FAZORASSCHEPITELI / ANALOG-DIGITAL INTERFACES

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Будяков Петр Сергеевич, Крюков Сергей Владимирович

Предлагается архитектура новых подклассов дифференциальных каскадов (ДК) на основе включения транзисторов с общей базовой и общей коллекторной цепями, которые, в сравнении с классическим ДК, имеют преимущества по частотному диапазону и эффективности использования напряжения источников питания.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Прокопенко Николай Николаевич, Будяков Петр Сергеевич, Крюков Сергей Владимирович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

ALTERNATIVE ARCHITECTURE BROADBAND AMPLIFIERS DIFFERENTIAL CASCADE WITH COMMON BASE AND COMMON COLLECTOR CHAINS

The proposed architecture of the new sub-classes of differential stages (DC) through the inclusion of transistors with common base and common collector circuits, which, in comparison to classical DC, have an advantage in the frequency range and efficiency of the supply voltage

Текст научной работы на тему «Альтернативные архитектуры широкополосных усилителей на основе дифференциальных каскадов с общей базовой и общей коллекторной цепями»

За счет введения компенсирующей емкости Ск удалось добиться расширения рабочего диапазона частот и обеспечить фазовую ошибку не более 3,5 градусов на частотах до 13 ГГ ц.

При моделировании реакции схемы на гармоническое воздействие установлено, что максимальная амплитуда входного сигнала составляет 400 мВ на частоте 6,2 ГГ ц, что удовлетворяет базовым требованиям существующих промышленных .

Предложенное схемотехническое решение управляемого фазового корректора за счет комплекса схемотехнических мероприятний позволяет расширить диапазон рабочих частот, обеспечить реализацию квадратурных составляющих опорных , -личных СФ блоков за счет отказа от использования индуктивностей.

Настоящее устройство является составной частью СФ блоков смешанных СнК - систем ФАПЧ, квадратурных модуляторов и демодуляторов, управляемых линий задержки и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка схемотехники квадратурных модуляторов и демодуляторов как СФ блоков для SiGe технологии» / руководитель СТ. Крутчинский. - Таганрог, 2009. - С. 514.

Грипинский Сергей Александрович

Технологический институт федерального государственного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный

университет» в г. Таганроге.

E-mail: kagami-sorano@mail.ru.

347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.

Тел.: 88634325659.

Gripinskiy Sergey Aleksandrovich

Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Educational Establishment of

Higher Vocational Education “Southern Federal University”.

E-mail: kagami-sorano@mail.ru.

44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia.

Phone: 88634325659.

УДК 621.375

Н.Н. Прокопенко, П.С. Будяков, С.В. Крюков

АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ АРХИТЕКТУРЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ

УСИЛИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДОВ С ОБЩЕЙ БАЗОВОЙ И ОБЩЕЙ КОЛЛЕКТОРНОЙ ЦЕПЯМИ

Предлагается архитектура новых подклассов дифференциальных каскадов (ДК) на основе включения транзисторов с общей базовой и общей коллекторной цепями, которые, в сравнении с классическим ДК, имеют преимущества по частотному диапазону и эффективности использования напряжения источников питания.

Дифференциальные усилители; фазорасщепители; аналого-цифровые интерфейсы.

N.N. Prokopenko, P.S. Budyakov, S.V. Kryukov

ALTERNATIVE ARCHITECTURE BROADBAND AMPLIFIERS

DIFFERENTIAL CASCADE WITH COMMON BASE AND COMMON COLLECTOR CHAINS

The proposed architecture of the new sub-classes of differential stages (DC) through the inclusion of transistors with common base and common collector circuits, which, in comparison to classical DC, have an advantage in the frequency range and efficiency of the supply voltage.

Differential amplifiers; fazorasschepiteli; analog-digital interfaces.

Классическая схема дифференциального усилителя (ДУ) с общей эмиттерной цепью (рис. 1,а) широко используется во многих интерфейсах систем автоматики и вычислительной техники.

Рис. 1. Классические схемы усилителей с парафазным выходом

Однако с повышением диапазона рабочих частот до единиц-десятков гигагерц в этой схеме начинают проявляться погрешности преобразования сигналов, обусловленные особенностями ее архитектуры. В диапазоне СВЧ классический ДУ рис. 1,а не обеспечивает, в частности, качественное преобразование входного напряжения ивх в два противофазных выходных напряжения. Действительно, в схеме (рис. 1,а) коэффициенты передачи по напряжению (Ку) со входа Вх.1 (или входа Вх.2) на первый (Вых.1) и второй (Вых.2) выходы в диапазоне высоких частот (1^10 ГГц) оказываются неодинаковы из-за повышенного влияния на Ку ёмкостей эмиттерного (Сэ) и коллекторного (Скб) р-п - переходов, а также выходной ёмкости С0 источника опорного тока 10. Это не позволяет выполнить на базе ДУ (рис. 1,а) достаточно важные функциональные узлы аналоговых интерфейсов (согласующие каскады перемножителей и смесителей сигналов, управляемые усилители, элементы ФАПЧ и т.д.).

( . 1, ), -

рых входной сигнал ивх подается в эмиттерную цепь входных транзисторов УТ1 и УТ2, включенных по схеме с общей базой. Это более высокочастотные устройства с малыми входными сопротивлениями. Однако ДУ (рис. 1,6) является по существу, псевдодифференциальным усилителем, так как у него выходное напряжение, например на правом выходе, не зависит от напряжения на левом входе. То есть схема (рис. 1,6) не может применяться в качестве преобразователя одного входного напряжения ^ в Два противофазных выходных напряжения, т.е. данная функция в ДУ рис. 1,6 не реализуется.

В этой связи большой практический интерес представляет поиск и исследование новых архитектур дифференциальных каскадов [1-3] (рис. 2,а,б), использующих фундаментальные свойства транзисторов в других классических схемах вклю-- ( ) ( ).

ВьіХІ!

Вьіхі2

и,ч J(

ВЬІХІ2

б

Рис. 2. Архитектуры ДУ с общей базовой (а) и общей коллекторной

цепями [1-3]

При этом следует ожидать, что иное включение транзистора в дифференциальных структурах приведет к изменению их ряда важных параметров.

Дифференциальные усилители с общей базовой цепью. Использование принципов функциональной интеграции позволяет синтезировать дифференциальный усилитель с общей базовой цепью, входные напряжения иВх.і, ивх.2, в котором подаются в эмиттер входных транзисторов УТ1 и УТ2 (рис. 3) [1,2].

Вых. I Вх. I

С*

1*3

УТЗ

Я2

//

-о Вых.2 Вх.2

УТ2

а б

Рис. 3. Архитектуры ДУ с общей базовой цепью (а) и пример его построения (б) [1,2]

Неинвертирующий каскад У1 может быть реализован как на активных, так и на пассивных элементах, обеспечивающих согласование статических потенциалов. Статический режим ДУ устанавливается двухполюсником I!.

а

Увеличение напряжения на первом входе Вх.1 вызывает уменьшение эмит-терного и коллекторного токов транзистора УТ1 (Із1, Ік1). Это создает на двухполюснике 11 положительное приращение напряжения и1, которое через каскад У1 передается в общую базовую цепь ДУ. В результате коллекторный ток транзистора УТ2 (Їй) увеличивается, что в конечном итоге обеспечивает противофазную передачу сигнала ивхл на второй выход ДУ и выполнение следующих равенств:

и

эб.1

и

эб.2

и

.1 /2.

(1)

и

^1

вх.1

и

ВХ.1

э1

э2

(2)

где гЭ1 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов УТ1, УТ2.

Если двухполюсник II - источник опорного тока, то синфазные изменения ( . 3)

, . . ( . 3) .

Статический режим транзисторов УТ1 и УТ2 ДУ (рис. 3,6) определяется двухполюсниками 10 и II и не зависит от синфазного напряжения на входах Вх.1 и Вх.2:

^УТ1 _ 1э¥Т2

1вх.1 1вх.2

10 - 11 2

(3)

На высоких частотах емкости Скб.утъ Скб.ут2 оказывают одинаковое влияние (в отличие от классического ДУ) на амплитудно-частотную характеристику коэффициента усиления как по первому Вых.1, так и по второму Вых.2 выходам. Как следствие, в предлагаемой схеме в связи с симметричным включением (относи-.1 .2) .1 .2 -

,

и .1 .1 .2.

На рис. 4 для схемы ДУ (рис. 3) и техпроцесса 8вБ25УБ при Я1=К2=500 Ом, 10 = 6 мА, 11 = 2 мА приведены зависимости его коэффициентов передачи по

( . 4, ),

( . 4, ).

Частота.

а

Частота, 1 б

Рис. 4. Зависимость коэффициентов передачи по первому и второму выходам (а) и фазы выходных напряжений ДУ (б) от частоты

Дифференциальные каскады с общей базовой цепью на основе транзисторных делителей тока. Применяя предложенный в [1,2] транзисторный каскад в дифференциальной структуре, можно синтезировать ряд перспективных для SiGe-технологий схем дифференциальных каскадов (рис. 5) с общей базовой цепью.

Рис. 5. Архитектура ДК с общей базовой цепью на основе транзисторных делителей тока (УТ1, УТ 1, УТ2, УТ 2)

В схеме (рис. 5) за счет идентичности транзисторов УТ1, УТ*1, УТ2, УТ*2 организуется параллельный канал стабилизации статического режима. Это обеспечивает более эффективное использование напряжения питания ДК.

Архитектура ДК с общей коллекторной цепью и их основные свойства. Основным признаком ДК с общей коллекторной цепью является непосредственное соединение коллекторов входных транзисторов ДК [3] (рис. 6). При этом для экстракции выходных дифференциальных сигналов параллельно эмиттерно-б^овым переходам входных транзисторов могут включаться эмиттерно-б^овые переходы , -

ная нагрузка [3].

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 6. Архитектура ДК с общей коллекторной цепью [3]

ДК содержит входные транзисторы УГ1, УГ2, коллекторный ток которых устанавливается двухполюсником = 2!0: 1к1 = !0 = 1к2. В частных случаях повто-

рители напряжений ПН1 и ПН2 могут отсутствовать. Резисторы Я1 и И2 исключают полное шунтирование источников сигнала ивх.1 и ивх.2.

Если на вход Вх.1 ДК (рис. 6) подается положительное напряжение ивх1, а и .2 , .2 ,

увеличению коллекторного тока транзистора УТ1:

; _ ;* _ ивх.1

1^1 — —

к1 _ Ак1 - г , (4)

Гэ1

где гэ1 - сопротивление эмиттерного перехода транзистора УТ1.

Как следствие, уменьшается напряжение на источнике опорного тока 11

ик = ^1Г1 , (5)

где г1 - эквивалентное сопротивление в общей коллекторной цепи ДК.

Изменение и через повторитель ПН2 и резистор И2 передается в цепь базы транзистора УТ2, что вызывает уменьшение напряжения

гвх2

иб1 “ ик----------.V “ ик, (6)

гвх.2 + К2

где гвх2 >> Я2 - входное сопротивление каскада с общим эмиттером на транзисторе УТ2.

Запирающее УТ2 приращение и создает ток ік2, противофазный току ік1 в транзисторе УТ1

: _ Гвх.2 _ ик

к2 г г + та г . (7)

42 кГ л2 42

Поэтому эффективное напряжение в общей коллекторной цепи ДК зависит от разности токов

ик = (ік1 - ^2)г1 =

и

ВХ.1

Гэ1 гэ2

Г1. (8)

После преобразований последней формулы находим, что

'ивх.1 ~ иб2 . (9)

гэ2

Гэ1

Так как гэ2 _ гэ1, то из (9) следует, что напряжение на базе транзистора УГ2 равно по величине, но противоположно по фазе входному напряжению ДК. То есть правое плечо ДК создает выходное напряжение

и

и

вх.1

вых.2 . (10)

гэ2

Таким образом, схема рис. 6 работает как устройство, преобразующее входной сигнал в два противофазных выходных сигнала. Данные свойства присущи классическому дифференциальному каскаду.

и

Основные специфические погрешности ДК с общей коллекторной цепью связаны с наличием разделительных конденсаторов СрЬ Ср2, не полной передачей напряжения и в цепь базы транзистора УТ2, инерционностью двухполюсника II и повторителей напряжения ПН1 и ПН2.

В практической схеме ДК с общей коллекторной цепью (рис. 7,а) используются повторители напряжения, что повышает идентичность каналов.

а б

Рис. 7. Схема ДК в среде Cadence (а) и его амплитудно-частотные характеристики (б)

К числу очевидных достоинств ДК с общей коллекторной цепью относятся: высокий коэффициент усиления по напряжению и мощности; эффективное использование напряжения питания, которое может быть достаточно малым (Еп = 1,5 2 В); возможность построения аналоговых схем только на п-р-п-транзисторах; наличие свойств фазорасщипителя (так называемого «бшуна»).

В то же время следует заметить, что схемы с общей коллекторной цепью и ЯС-связью не полностью заменяют по основным качественным показателям схемы с ДК с общей эмиттерной цепью.

Основные направления структурной и схемотехнической оптимизации ДК с общей коллекторной цепью связаны с устранением следующих недостатков базового : -; -ми входного и выходного транзисторов с учетом эффекта Эрли; исключение из схе-; -лекторную цепь ДК через пассивные элементы схемы; повышение (до единицы) коэффициента передачи напряжения общей коллекторной цепи ДК в цепь базы второго ; ; -разитной емкости в общей коллекторной цепи ДК; снижение на высоких частотах фазовой погрешности между выходами ДК, что важно при построении фазорасщи-пителей; повышение идентичности коэффициентов усиления ДК по каждому из вы; ; уровня шумов и нелинейных искажений; повышение коэффициента усиления по на; .

Выводы. Разработанные архитектуры дифференциальных каскадов [1-3] ха-( )

, -

тронных устройств автоматики и вычислительной техники о методах усиления широкополосных сигналов. Для внедрения в практические разработки рассмотренных ДК необходимы дополнительные исследования, а также их всестороннее компью-.

БИБЛИОГРДФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Высокочастотный усилитель на транзисторе по схеме с общей базой [Текст]. Пат. 2365028 Российской Федерации, МПК8 H03F 3/34, 3/04, 3/189 / Прокопенко Н.Н., Конев Д.Н., Будяков АС., заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса». - № 2007144027/09; заявл. 27.11.2007; опубл. 20.08.2009. Бюл. № 23. - 12с.: ил. (91).

2. Высокочастотный дифференциальный усилитель [Текст]: заявка на патент Российской Федерации; МПК8 H03F 3/34, 3/45 / Прокопенко Н.Н., Будяков АС., Конев Д.Н.

- № 2008109765/09; заявл. 13.03.2008 (121).

3. [ ]:

; 8 H 03 F 3/34, 3/45 / . ., . ., . .

- № 17-3773/27 от 09.12.09 (273).

Прокопенко Николай Николаевич

Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса.

346500, . , . , 147.

E-mail: prokopenko@sssu.ru.

Тел.: 88636222037; 8863222133.

Будяков Петр Сергеевич

E-mail: byduakov@mail.ru.

Крюков Сергей Владимирович

E-mail: vvks@list.ru.

Prokopenko Nikolay Nikolaevich

South-state university of economics and servises.

E-mail: prokopenko@sssu.ru.

147, Shevchenko, Shahty, 346500, Russia.

Phone: 88636222037; 8863222133.

Budyakov Petr Sergeevich

E-mail: byduakov@mail.ru.

Kryukov Sergey Vladimirovich

E-mail: vvks@list.ru.

УДК 621.375

. . , . . , . .

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ В СТРУКТУРЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КАСКАДОВ С ЦЕПЯМИ ВЗАИМНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ИМПЕДАНСОВ НИЗКООМНЫХ РЕЗИСТОРОВ

Предлагается концепция построения дифференциальных каскадов с повышенным коэффициентом усиления по напряжению, в которых создаются специальные условия для взаимной компенсации импедансов низкоомных резисторов коллекторной нагрузки.

Дифференциальный усилитель; собственная и взаимная компенсация импедансов; способы повышения коэффициентов усиления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.