ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ 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 дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1) с местной отрицательной обратной связью, которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей и т.п. Коэффициент усиления по напряжению (K_y) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов и резистора местной отрицательной обратной связи.

При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ не должно превышать 1,5÷2,5 B, 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 №4511852 фиг.3. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания.

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

где R₉ - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;

R₃ - дифференциальное сопротивление двухполюсника обратной связи 3;

r_эi<<R₃ - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора. Например, при R₉=1 кОм и R₃=500 Ом коэффициент усиления ДУ-прототипа К_у.прот≈2. В большинстве случаев этого недостаточно.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторы нагрузки (например, R₉=R₇=14÷2 кОм) в условиях технологических ограничений SiGe-технологии на напряжение питания (±1,9÷2 B).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 12 и второе 13 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым 11 источником питания, вход первого 12 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 13 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 12 токового зеркала соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а выход второго 13 токового зеркала подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар», а на фиг.4 - заявляемого устройства фиг.2.

На чертеже фиг.5 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.3 и фиг.4. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R₆₀=R₆₁=1 кОм) и введении местной отрицательной обратной связи в виде резистора R₅₉=R₃(626 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.4) повышается на 75 дБ, т.е. более чем на три порядка в сравнении с K_y ДУ-прототипа фиг.3. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.

На фиг.6 показаны графики зависимости коэффициента усиления сравниваемых схем фиг.3, фиг.4 от сопротивлений двухполюсника местной отрицательной обратной связи 3 (R₃=R₅₉=R₆₃ на схемах фиг.3 и фиг.4). Из данных графиков следует, что коэффициент усиления по напряжению в заявляемой схеме всегда больше, чем коэффициент усиления ДУ-прототипа, причем существует некоторое оптимальное значение сопротивления резистора 3, при котором K_y принимает экстремально высокое значение.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания. В схему введены первое 12 и второе 13 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым 11 источником питания, вход первого 12 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 13 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 12 токового зеркала соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а выход второго 13 токового зеркала подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.

Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 4 и 6. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 1 и 2, 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.

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

где

В последних формулах:

K_il2≤1 - коэффициент усиления по току первого 12 токового зеркала;

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

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

где K_д1<1 - коэффициент деления выходного тока i_пт.2 между эмиттером транзистора 1 и двухполюсником 13:

Причем α₂=0,98-0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора VT1 в схеме с общей базой.

Поэтому при R₉=R₇ выигрыш по K_y в схеме фиг.2

В практических схемах K_i12 и K_д1 всегда меньше единицы (K_i12=0,9÷0,99, К_д1=0,98÷0,99). Тем не менее, при R9=R7 выигрыш по K_у.з получается значительным (фиг.5, фиг.6).

Численные значения R₃ сложным образом влияют на K_y. Если R₃=0, то K_у.з=K_у.прот. При больших R₃>>3 улучшается передача токов i_пт.12 и i_пт.13 в эмиттеры транзисторов 1 и 2, что позволяет в пределе получить

Однако, если учесть, что транзистор 2 имеет некоторое выходное сопротивление

где µ₂=10^-3÷10^-4 - коэффициент внутренней обратной связи второго 2 входа транзистора, то в идеальном случае при K_i.12=l, α₂=1 коэффициент усиления ДУ фиг.2 не может превышать значений:

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

Литература

1. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. М.: Радио и связь, 1983 г. - С.366, рис.8.11.

2. Патент EP 0058448, H03f 3/45.

3. Авт. свид. СССР №853776, G03g 3/36.

4. Авт. свид. СССР №488317, H03h 7/44.

5. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. - М.: Мир - С.147, рис.7-5.

6. Патент США №4146844, кл. 330-149.

7. Патент Японии 53-33232 98(5) A 333.

8. Патент Англии №1429793 H03f 1/34.

9. Патент Англии №1572079, H3T.

10. Патент США №4511852.

11. Патентная заявка США №2002/0053935.

12. Патент США №6456142, фиг.8.

13. Патент США №5184088, фиг.2.

14. Патент США №5821810.

15. Патент UK №2318470.

Изобретение относится к области радиотехники и связи для 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 технологических ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±1,9÷2 В). Дифференциальный усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи (3), первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (1) входного Т и первым (5) источником питания (ИП), второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (2) входного Т и первым (5) ИП, первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (1) входного Т, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (2) входного Т, второй (11) ИП. В схему введены первое (12) и второе (13) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым (11) ИП, вход первого (12) токового зеркала соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки, вход второго (13) токового зеркала соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки, выход первого (12) токового зеркала соединен с эмиттером второго (2) входного Т, а выход второго (13) токового зеркала подключен к эмиттеру первого (1) входного Т. 6 ил.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи (3), первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (1) входного транзистора и первым (5) источником питания, второй (6) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (2) входного транзистора и первым (5) источником питания, первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (1) входного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (2) входного транзистора, второй (11) источник питания, отличающийся тем, что в схему введены первое (12) и второе (13) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым (11) источником питания, вход первого (12) токового зеркала соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки, вход второго (13) токового зеркала соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки, выход первого (12) токового зеркала соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора, а выход второго (13) токового зеркала подключен к эмиттеру первого (1) входного транзистора.