ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2009 года по МПК H03F3/34 H03F3/45 

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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.

В последние годы ДУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1) В, которое характерно для SiGe-транзисторов с предельными частотами 20÷60 ГГц.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в статье [2], содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 двухполюсниками нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому 14 и второму 15 противофазным выходам двухтактного дифференциального усилителя.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при низковольтном питании он имеет небольшой диапазон изменения выходного напряжения.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона изменения выходного напряжения ДУ при низковольтном питании.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 двухполюсниками нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому 14 и второму 15 противофазным выходам двухтактного дифференциального усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 16 и второй 17 эмиттерные резисторы, а также первый 18 и второй 19 дополнительные двухполюсники, включенные последовательно между эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и имеющие общий узел 20, соединенный с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, причем общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен со вторым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и через второй 17 эмиттерный резистор связан с шиной источника питания 21, а эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединен с шиной источника питания 21 через первый эмиттерный резистор 16.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1, п.2, п.3 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.

На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.3 и п.5 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.5 - зависимость его выходного (дифференциального) напряжения от входного напряжения.

На чертеже фиг.6 показана схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.7 - зависимость его выходного (дифференциального) напряжения от входного напряжения. Сравнение чертежей фиг.5 и фиг.7 показывает, что заявляемый ДУ имеет на 0,6-0,7 В лучшую максимальную амплитуду выходного напряжения.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 двухполюсниками нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому 14 и второму 15 противофазным выходам двухтактного дифференциального усилителя. В схему введены первый 16 и второй 17 эмиттерные резисторы, а также первый 18 и второй 19 дополнительные двухполюсники, включенные последовательно между эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и имеющие общий узел 20, соединенный с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, причем общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен со вторым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и через второй 17 эмиттерный резистор связан с шиной источника питания 21, а эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединен с шиной источника питания 21 через первый эмиттерный резистор 16.

В дифференциальном усилителе, соответствующем п.2 формулы изобретения (фиг.2), общий узел 20 первого 18 и второго 19 дополнительных двухполюсников соединен с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8 через согласующий двухполюсник 22.

В дифференциальном усилителе, соответствующем п.3 формулы изобретения (фиг.2), в качестве согласующего двухполюсника 22 используется резистор.

В дифференциальном усилителе, соответствующем п.4 формулы изобретения, в качестве согласующего двухполюсника 22 используется р-n переход.

В дифференциальном усилителе, соответствующем п.5 формулы изобретения (фиг.3), в качестве первого 18 и второго 19 дополнительных двухполюсников используются прямо смещенные р-n переходы, а их общий узел 20 связан со вспомогательным источником опорного тока 23.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Статический режим по току предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 4 и 5, а также сравнительно низкоомными резисторами 16 и 17:

Сравнительно высокоомные резисторы 18, 19, 22 обеспечивают небольшой ток цепи смещения базы транзистора 8. При этом для увеличения диапазона изменения выходного напряжения усилителя рекомендуется выбирать U₁₃=100÷200 мВ.

В схеме фиг.2 существенные нелинейные искажения сигнала не возникают, если статическое напряжение коллектор - база транзисторов 6 и 7 больше или равно статическим напряжениям на резисторах 11 и 12. Это позволяет составить следующую систему уравнений для потенциальных координат

Учитывая, что должно быть U_кб.6=U₁₁ из (2) находим оптимальное значение напряжения U₁₁:

Если U₁₃=100 мВ, E₁=Е₂=1,5 В, то U_R1≈1,1 В.

Таким образом, в предлагаемой схеме максимальная амплитуда дифференциального выходного сигнала составляет U_m=2,2 B при 3 В питании.

В схеме усилителя-прототипа U_m=1,6 В.

Если напряжение Е₁=Е₂=1,2 В, то выигрыш по U_max также составляет ΔU_m=1,6-1B=0,6B.

Таким образом, заявляемый усилитель обеспечивает на 0,6 В большую амплитуду выходного напряжения. Это весьма существенно для низковольтных аналоговых микросхем.

Библиографический список

1. Budyakov, A. Design of Fully Differential Opamps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.

2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov.2005, фиг.2.

3. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz," IEEE BCTM, pp.1-8, Oct.2006.

4. Патент США №4.274.394, фиг.2.

5. Патент США №3.619.797.

6. Патент США №3.622.902.

7. Патент США №3.440.554.

8. А.св. СССР №299013.

9. Патент Англии №1.175.329, Н3Т.

10. Патент США №3.304.512.

11. Патент США №4.371.93.

12. А.св. СССР №421105.

13. А.св. СССР №764100.

14. А.св. СССР №669471.

Использование: в области радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения выходного напряжения. Дифференциальный усилитель содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с соответствующими первым 4 и вторым 5 двухполюсниками нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому 14 и второму 15 противофазным выходам двухтактного дифференциального усилителя, первый 16 и второй 17 эмиттерные резисторы, а также первый 18 и второй 19 дополнительные двухполюсники, включенные последовательно между эмиттерами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и имеющие общий узел 20, соединенный с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен со вторым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и через второй 17 эмиттерный резистор связан с шиной источника питания 21, а эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединен с шиной источника питания 21 через первый эмиттерный резистор 16. 4 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Дифференциальный усилитель с парафазным выходом, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1), первый (2) и второй (3) токовые выходы которого связаны с соответствующими первым (4) и вторым (5) двухполюсниками нагрузки и базами первого (6) и второго (7) выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока (8), коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью (9) входного параллельно-балансного каскада (1), а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода (10), первый (11) и второй (12) резисторы обратной связи, имеющие общий узел (13), подключенные к эмиттерам соответствующих первого (6) и второго (7) выходных транзисторов и первому (14) и второму (15) противофазным выходам двухтактного дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в схему введены первый (16) и второй (17) эмиттерные резисторы, а также первый (18) и второй (19) дополнительные двухполюсники, включенные последовательно между эмиттерами первого (6) и второго (7) выходных транзисторов и имеющие общий узел (20), соединенный с базой выходного транзистора стабилизатора тока (8), причем общий узел (13) первого (11) и второго (12) резисторов обратной связи соединен со вторым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода (10) и через второй (17) эмиттерный резистор связан с шиной источника питания (21), а эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока (8) соединен с шиной источника питания (21) через первый эмиттерный резистор (16).2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что общий узел (20) первого (18) и второго (19) дополнительных двухполюсников соединен с базой выходного транзистора стабилизатора тока (8) через согласующий двухполюсник (22).3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве согласующего двухполюсника (22) используется резистор.4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве согласующего двухполюсника (22) используется р-n переход.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве первого (18) и второго (19) дополнительных двухполюсников используются прямо смещенные р-n переходы, а их общий узел (20) связан со вспомогательным источником опорного тока (3).