КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике широко применяются простейшие каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей, фазорасщипителей и т.п. Коэффициент усиления по напряжению (K_у) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.

При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ меньше 2,0÷2,5 В, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которые не должны превышать единиц килоом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4.511.852 fig.3. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [2-15], состоит в том, что при использовании резисторов коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (K_у), например, для выхода Вых.2 получается небольшим:

где R₉ - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;

r_эi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора.

Например, при R₉=1 кОм и r_э17=r_э18=25 Ом, коэффициент усиления ДУ-прототипа K_у.прот≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R₉=R₇=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником питания.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

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

На фиг.3 представлена схема ДУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НИИ «Пульсар», а на фиг.5 - заявляемого устройства фиг.2.

На фиг.6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.4 и фиг.5. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R₁₃=R₁₂=1 кОм), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.5) повышается на 24 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с K_у ДУ-прототипа фиг.4. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником питания.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены на транзисторах 20 и 21, включенных по схеме с общей базой.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены в виде двухполюсников 22 и 23 с низким дифференциальным сопротивлением - стабилитронов или их более сложных транзисторных аналогов.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.

Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 19, 15 и 16. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 по выходам Вых.2 и Вых.1 определяется по формулам:

где R_н.экв.2, R_н.экв.1 - эквивалентные сопротивления в узлах «Вых.2» и «Вых.1» соответственно;

r_э17=r_э18 - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 17 и 18.

Причем R_н.экв.2 и R_н.экв.1 как выходные сопротивления при одновременном противофазном изменении u_вых.2 и u_вых.1 можно найти из выражения:

где

В последних формулах:

K_i13≤1, K_i14≤1 - коэффициенты усиления по току токовых зеркал 13 и 14;

u_вых=u_вых.1=u_выx.2 - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:

где K_у.прот - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1.

Поэтому выигрыш по K_у в схеме фиг.2

В практических схемах K_i14 и K_i13 всегда меньше единицы (K_i14=0,9÷0,99, K_i13=0,98÷0,99). Тем не менее выигрыш по K_у.з получается значительным - на 24 дБ (фиг.6).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США №3.660.773

2. Патент Франции №1.484.340

3. Патент ФРГ №1.214.733

4. Патент Англии №1.520.085

5. Патент США №3.482.177

6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т

7. Патент ФРГ №1.537.590

8. Патент Франции №1.548.008

9. Патент ФРГ №2.418.455

10. Патент США №5.185.582 fig.1

11. Патент США №4.151.483 fig.3

12. Патент Японии JP 61264806

13. Патент США №3.660.773

14. Авт.св. СССР №427451

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R₉=R₇=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В). Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения (6), эмиттер первого (4) выходного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (5) выходного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (11) и второй (12) источники питания, причем первый (11) источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада (1). В схему введены первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока, выход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), выход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), вход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки и через первый (15) дополнительный двухполюсник соединен со вторым (12) источником питания, вход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки и через второй (16) дополнительный резистор соединен со вторым (12) источником питания. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения (6), эмиттер первого (4) выходного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (5) выходного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (11) и второй (12) источники питания, причем первый (11) источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада (1), отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока, выход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), выход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), вход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки и через первый (15) дополнительный двухполюсник соединен со вторым (12) источником питания, вход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки и через второй (16) дополнительный резистор соединен со вторым (12) источником питания.

2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока выполнены на транзисторах (20) и (21), включенных по схеме с общей базой.

3. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока выполнены в виде двухполюсников (22) и (23) с низким дифференциальным сопротивлением, например стабилитронов.