ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2011 года по МПК H03F3/45 H03F3/34 

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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение классические дифференциальные усилители (ДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-17]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для принципиально новых нанотехнологий [10].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту GB 2.419.052, fig. 4.

Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-17], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K_у) получается небольшим (K_уmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения K_у применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы U_ДН 0,8÷1,6 В статического напряжения между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения U_ДН равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление

,

где U_Эрли - напряжение Эрли выходного р-n-р транзистора ДН;

I_э=I₀ - статический ток эмиттера р-n-р выходного транзистора ДН.

Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» U_Эрли=20÷30 В. Следовательно, при I₀=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить K_у>200÷300. Более высокие выходные сопротивления R_ДН реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U_эб≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо.

Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, второй 9 источник питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого 11 неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через второй 12 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго 13 неинвертирующего повторителя тока, выход первого 14 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом первого 11 неинвертирующего повторителя тока, выход второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом второго 13 неинвертирующего повторителя тока.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

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

На фиг.3 показана схема заявляемого устройства фиг.2 по п.3 формулы изобретения с конкретным выполнением неинвертирующих усилителей тока 11 и 13 и дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15.

На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW, а на фиг.5 - заявляемого ДУ фиг.2.

Графики фиг.6 характеризуют зависимость коэффициента усиления по напряжению (K_у) ДУ фиг.5 от численных значений коэффициента усиления по току K_i дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15 при различных значениях сопротивления резистора местной отрицательной обратной связи R₆=R(R=0÷500 Ом).

На фиг.7 показаны графики зависимости K_у схем фиг.4 и фиг.5 от K_i в укрупненном масштабе. Из их рассмотрения следует, что K_уmax=60,24 дБ при K_i=1,1.

На фиг.8 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.4 и фиг.5 при K_i=1,1 и R=1 Ом.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, второй 9 источник питания. Второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого 11 неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через второй 12 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго 13 неинвертирующего повторителя тока, выход первого 14 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом первого 11 неинвертирующего повторителя тока, выход второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом второго 13 неинвертирующего повторителя тока. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16 и 17 и двухполюснике 18.

На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве первого 11 и второго 13 неинвертирующих повторителей тока используются каскады по схеме с общей базой на транзисторах 19 и 20, базы которых соединены с источником смещения 21.

На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве первого 14 и второго 15 дополнительных инвертирующих усилителей тока используются классические токовые зеркала Вильсона на транзисторах 22, 23, 25, 26 и диодах 24, 27. Коэффициент передачи по току данных функциональных узлов рекомендуется выбирать в пределах K_i=0,8÷1,2.

Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 18 и цепью смещения потенциалов 21 (E_c1), в качестве которой могут применяться как резистивные делители напряжения питания, так и более совершенные схемы источников напряжения с малыми выходными сопротивлениями.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.

Положительное изменение входного напряжения u_вх приводит к противофазному изменению напряжения на выходах ДУ (u_вых), которые создают токи i_R5 и i_R7 через резисторы коллекторной нагрузки 5 и 7:

Это объясняется тем, что низкоомный токовый вход неинвертирующих повторителей тока 11 и 13 (их R_вх≈0) имеет по переменному току нулевой потенциал. Поэтому все приращения i_R5 и i_R7 передаются на входы и далее на выходы неинвертирующих повторителей тока 11 и 13, а затем на выходы дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15:

где K_i11=K_i13≈1 - коэффициент усиления по току неинвертирующих повторителей тока 11 и 13;

K_i12.14≈1, K_i12.15≈1 - коэффициенты усиления по току инвертирующих усилителей тока 14 и 15.

В результате эквивалентные сопротивления в коллекторной цепи входного каскада 1, определяющие коэффициенты усиления ДУ, возрастают

Поэтому коэффициент усиления ДУ фиг.2 при K_i12.14=K_i12.15=1, K_i11=1, K_i13=1 увеличивается на один-два порядка. Данный вывод подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.6, фиг.7, фиг.8 схем фиг.4 и фиг.5.

В качестве неинвертирующих повторителей тока авторы рекомендуют применять транзисторные каскады с общей базой (фиг.3) на транзисторах 19 и 20.

Таким образом, в предлагаемом ДУ фиг.2, фиг.3 при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 5 и 7 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ-устройств.

Источники информации

1. Патент США №3.541.464.

2. Патентная заявка WO 2004/102789.

3. Патент США №5.389.893.

4. Патент Японии 53-142849.

5. А.св. СССР 1102019.

6. Патентная заявка WO 2005/077525.

7. Патентная заявка США №2006/0181348.

8. Патентная заявка WO 2006/077525.

9. Патент Англии 2419052.

10. Патентная заявка США №2008/0290941.

11. Патент WO 96/21271.

12. Патентная заявка США 2009/0108882, fig.3.

13. Патент Японии 55030218.

14. Патент Англии 1350352.

15. Патент Японии 54-47467.

16. Патент Японии 55099810.

17. Патент ФРГ 2821942.

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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании. Дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада (1), первый (5) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (6) выходом устройства и первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), второй (7) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму (8) выходу устройства и второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), второй (9) источник питания. Второй вывод первого (5) резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым (9) источником питания через первый (10) дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого (11) неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго (7) резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым (9) источником питания через второй (12) дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго (13) неинвертирующего повторителя тока, выход первого (14) дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а его вход связан с выходом первого (11) неинвертирующего повторителя тока, выход второго (15) дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому (2) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а его вход связан с выходом второго (13) неинвертирующего повторителя тока. 2 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада (1), первый (5) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (6) выходом устройства и первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), второй (7) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму (8) выходу устройства и второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), второй (9) источник питания, отличающийся тем, что второй вывод первого (5) резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым (9) источником питания через первый (10) дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого (11) неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго (7) резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым (9) источником питания через второй (12) дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго (13) неинвертирующего повторителя тока, выход первого (14) дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а его вход связан с выходом первого (11) неинвертирующего повторителя тока, выход второго (15) дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому (2) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а его вход связан с выходом второго (13) неинвертирующего повторителя тока.

2. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (11) и второго (13) неинвертирующих повторителей тока используются транзисторные каскады по схеме с общей базой.

3. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого (14) и второго (15) дополнительных инвертирующих усилителей тока используются классические токовые зеркала, коэффициент передачи по току которых лежит в пределах К_i=0,8÷1,2.