ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).

В современной микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители переменного тока (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал (ТЗ), которые позволяют получить высокий коэффициент усиления. Особое место в этом классе ДУ занимают несимметричные [1-3] и симметричные [4] схемы на основе так называемого «перегнутого» включения токовых зеркал, которые могут быть реализованы только на n-р-n-транзисторах, либо с применением некачественных р-n-р-транзисторов в структуре токостабилизирующих двухполюсников. В связи с широким внедрением в России и других странах мира SiGe технологии SG25VD, не допускающей применение р-n-р активных элементов, совершенствование схемотехники рассматриваемого класса устройств представляет собой достаточно актуальную задачу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель в устройстве по заявке US 2004/0008085, fig.5.

Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-3], 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 (К_у) получается небольшим (К_уmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе переменного тока (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

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

На фиг.4 представлена схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.

График фиг.4 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (К_у) ДУ (фиг.3) при разных значениях емкости разделительных конденсаторов С₁₃=С₀=С₁₅=С₁=υar.

Дифференциальный усилитель переменного тока (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и источнике тока 18.

Первое 7 токовое зеркало реализовано на основе транзистора 19 и р-n-перехода 20, второе 8 токовое зеркало включает транзистор 21 и р-n-переход 22.

Статический режим ДУ (фиг.2) устанавливается источником тока 18, а также токостабилизирующими двухполюсниками 4 и 5.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.

Предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» при емкостях разделительных конденсаторов 13 (С₁₃) и 15 (C₁₅), равных нулю и R10>>R12, R11>>R14, определяется сопротивлением первого 10 резистора коллекторной нагрузки:

где S_1-2≈(r_э16+r_э17)^-1 - крутизна усиления ДУ в режиме короткого замыкания по его выходу «Вых.1», зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (r_э16, r_э17) транзисторов 16 и 17.

Более высокие значения К_у в диапазоне средних частот, когда влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 на К_у можно пренебречь, реализуются в схеме фиг.2 при С₁₃=С₁₅≠0.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса в цепи первого выхода устройства (узел В); - комплексная крутизна ДУ в режиме короткого замыкания его первого выхода.

Комплекс эквивалентной нагрузки можно найти по формуле:

где - выходной ток узла «В» в классическом режиме определения выходного сопротивления электронной подсхемы.

Причем

,

- комплексы входного и выходного токов первого 7 токового зеркала;

, - комплексы токов через двухполюсники 10 и 11;

- комплекс импеданса второго 15 разделительного конденсатора;

, r_вх.7 - коэффициент передачи по току первого 7 токового зеркала и его входное сопротивление.

После преобразований последней формулы с учетом симметрии схемы (u_вых.1=u_вых.2=u_вых) находим, что

Поэтому комплекс коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.2

или при :

где - коэффициент усиления ДУ-прототипа.

Таким образом, выигрыш по К_у, который дает схема ДУ фиг.2 в сравнении с прототипом фиг.1:

В области средних частот, когда можно пренебречь влиянием емкостей конденсаторов 13 и 15 на и :

Из уравнения (8) следует ряд важных выводов:

1. Во-первых, эффективность по К_у предлагаемого схемотехнического решения фиг.2 зависит от параметров: К_i7, R₁₀/R₁₁, r_вх.7/R₁₄.

2. Во-вторых, для получения максимального выигрыша по К_у необходимо выбирать:

В этом случае .

График фиг.4, полученный в результате моделирования схемы фиг.3 в среде Cadence, показывает, что выигрыш по К_у в диапазоне средних частот, в котором влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 (C₁₅=C₁₃=C₁=C₀) можно пренебречь, достигает 16 дБ (т.е. почти десять раз).

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ-устройствах, реализуемых по внедряемому в России техпроцессу SG25VD, не допускающему применение р-n-р-транзисторов.

Источники информации

1. Патент США №4.418.290 fig.10.

2. Патент США №5.376.897.

3. Патент США №4.366.445.

4. Патентная заявка США 2004/0008085.

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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов. Дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым (2), вторым (3) токовыми выходами входного дифференциального каскада (1) и первой (6) шиной источника питания, первое (7) и второе (8) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй (9) шиной источника питания, вход первого (7) токового зеркала соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом первого (10) двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго (8) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом второго (11) двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого (10) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через первый (12) дополнительный резистор и через первый (13) разделительный конденсатор связан со входом второго (8) токового зеркала, а второй вывод второго (11) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через второй (14) дополнительный резистор и через второй (15) разделительный конденсатор соединен со входом первого (7) токового зеркала. 4 ил.

Дифференциальный усилитель переменного тока, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым (2), вторым (3) токовыми выходами входного дифференциального каскада (1) и первой (6) шиной источника питания, первое (7) и второе (8) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй (9) шиной источника питания, вход первого (7) токового зеркала соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом первого (10) двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго (8) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом второго (11) двухполюсника нагрузки, отличающийся тем, что второй вывод первого (10) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через первый (12) дополнительный резистор и через первый (13) разделительный конденсатор связан со входом второго (8) токового зеркала, а второй вывод второго (11) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через второй (14) дополнительный резистор и через второй (15) разделительный конденсатор соединен со входом первого (7) токового зеркала.