ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С НИЗКОВОЛЬТНЫМИ ВХОДНЫМИ ТРАНЗИСТОРАМИ 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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов).

В современной микросхемотехнике широкое распространение получили дифференциальные усилители (ДУ), содержащие два последовательно включенных параллельно-балансных каскада [1-7].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический двухкаскадный ДУ, описанный в монографии «Проектирование и применение операционных усилителей» / перевод с англ. В.Л.Левина и И.М.Хейфеца. / Под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1974. - С.149, фиг.4.7

Он содержит входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов.

Существенный недостаток известного устройства фиг.1 состоит в том, что его входные транзисторы 2 и 3 должны быть достаточно высоковольтными, т.е. иметь напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-база, превышающее напряжение коллекторного источника питания . Это существенно снижает возможности такой архитектуры, не позволяет применять на входе ДУ так называемые «супер-β» транзисторы, для которых напряжение коллектор-база должно быть близко к нулю не только в статическом, но и в динамических режимах [8]. Кроме этого, существующие тенденции в SiGe технологиях также не допускают (в ряде случаев) использовать режимы работы входных СВЧ-транзисторов 2 и 3 при граничной частоте f_т=200÷300 ГГц с изменяющимся на 1÷2 В под действием входного сигнала напряжением коллектор-база.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы за счет новых элементов и связей между ними создать такие условия работы входных транзисторов ДУ, при которых во всем диапазоне входных сигналов их напряжение коллектор-база будет изменяться в пределах 50-100 мВ. Это позволит использовать в качестве данных активных элементов биполярные структуры с малым напряжением коллектор-база и получить, таким образом, новые качества устройства - сверхмалый входной ток за счет высоких значений β применяемых низковольтных транзисторов [8], малые шумы, более высокий частотный диапазон за счет использования SiGe технологий и т.п.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 6 резистора нагрузки соединен с коллектором первого 8 выходного транзистора, второй вывод второго 7 резистора нагрузки соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого 6 и второго 9 выходных транзисторов и общей шиной источников питания 16 включен дополнительный прямосмещенный p-n-переход 17.

На фиг.1, 2 приведены схемы ДУ-прототипа (фиг.1) и заявляемого ДУ (фиг.2).

На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (SGB25VD).

Графики фиг.4 характеризуют зависимость напряжений на коллекторах входных транзисторов от входного сигнала в схеме фиг.3.

Графики фиг.5 показывают зависимость напряжений на выходах устройства фиг.3 от входного сигнала, а график фиг.6 - это амплитудно-частотная характеристика ДУ фиг.3.

Дифференциальный усилитель с низковольтными входными транзисторами содержит входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов. Второй вывод первого 6 резистора нагрузки соединен с коллектором первого 8 выходного транзистора, второй вывод второго 7 резистора нагрузки соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого 6 и второго 9 выходных транзисторов и общей шиной источников питания 16 включен дополнительный прямосмещенный p-n-переход 17.

Рассмотрим работу известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) ДУ. В ДУ-прототипе фиг.1 напряжение на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 в статическом режиме определяется по формулам:

где I_к2, I_к3 - коллекторные токи входных транзисторов 2 и 3, которые могут изменяться под действием сигнала в диапазоне 0÷2I₀ (I₁=2I₀ - статический ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1).

Крайние значения {0, 2I₀} коллекторные токи I_к2 и I_к3 принимают при входных сигналах u_вх>±50 мВ. Поэтому напряжения на коллекторах входных 2 и 3 транзисторов ДУ фиг.1 в рабочих режимах могут достигать значений (1) и (2), близких к напряжению коллекторного питания , и, следовательно, входные транзисторы ДУ фиг.1 должны иметь напряжение пробоя, превышающее .

В заявляемом устройстве фиг.2 напряжение на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 практически не изменяется, так как не зависит от численных значений коллекторных токов I_к2 и I_к3:

Следует учесть, что напряжение на эмиттерных p-n-переходах транзисторов имеет логарифмическую зависимость от эмиттерных токов:

где φ_т≈25 мВ - температурный потенциал;

U_xx.i - напряжение на эмиттерном переходе при токе эмиттерного перехода I_эi=I_xx (например, для многих кремниевых транзисторов U_xx=0,51 В при I_xx=1 мкА).

Таким образом, из (3)-(5) следует, что

Диапазон изменения эмиттерного тока транзистора 8 зависит от диапазона изменения тока коллектора первого 2 входного транзистора. Если I_к2.min≈0, то I_э8.max≈/R₁₁. При I_к2.max=2I₀ выполняется условие:

То есть минимальный эиттерный ток транзистора 8:

Учитывая, что ток через p-n-переход 17 практически не изменяется, можно найти крайние значения напряжения на коллекторе первого 2 входного транзистора:

С учетом последних соотношений, находим, что диапазон изменения напряжения на коллекторе транзистора 2

Если, например, выбрать 2I₀(R₆+R₁₁)=0,5, то «теоретический» перепад напряжения ΔU_к2 не будет превышать ΔU_к2=8÷15 мВ.

Таким образом, в заявляемой схеме входные транзисторы 2 и 3 работают при малых изменениях напряжения на коллекторе и могут быть низковольтными.

Напряжение на выходе Вых.1 ДУ фиг.2 может принимать под действием сигнала два крайних значения

Таким образом, динамический диапазон изменения выходного дифференциального напряжения ДУ фиг.2

Представленные на фиг.6 результаты компьютерного моделирования подтверждают данные теоретические выводы - напряжения на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 изменяются не более чем на 70 мВ. При этом диапазон сужения выходных сигналов (фиг.5) ΔU_вых≈0,9 B, a частотный диапазон ДУ - 9,1 ГГц.

Источники информации

1. Патентная заявка США №2010/0102884 fig.2.

2. Патент США №3.970.947.

3. Патент США №4.97439.696.

4. Патент США №5.550.512 fig.2.

5. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов - Л., 1979. - С.145, рис.145.

6. Рутковски, Дж. Интегральные операционные усилители. Справочное руководство [Текст] / Дж.Рутковски; перевод с англ. Б.Н.Бронина; под ред. М.В.Гальперина. - М.: Мир, 1978. - фиг.1.9 (рис.1.20).

7. Проектирование и применение операционных усилителей [Текст] /перевод с англ. В.Л.Левина и И.М.Хейфеца; под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1974. - С.158 (фиг.4.10), С.145 (фиг.4.4).

8. Гальперин М.В. Усилители постоянного тока [Текст] / М.В.Гальперин, Ю.П.Злобин, В.А.Павленко. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 248 с., ил. - С.82-83.

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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов). Технический результат: создание за счет новых элементов и связей между ними таких условий работы входных транзисторов ДУ, при которых во всем диапазоне входных сигналов их напряжение коллектор-база будет изменяться в пределах 50-100 мВ. Это позволит использовать в качестве данных активных элементов биполярные структуры с малым напряжением коллектор-база и получить, таким образом, новые качества устройства - сверхмалый входной ток за счет высоких значений β применяемых низковольтных транзисторов, малые шумы, более высокий частотный диапазон за счет использования SiGe технологий и т.п. Дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) на основе первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первый (4) и второй (5) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), связанные с коллекторами соответствующих первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого (6) и второго (7) резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, источник опорного тока (10), связанный с объединенными эмиттерами первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, первый (11) и второй (12) вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания (13) и коллекторами соответствующих первого (8) и второго (15) выходных транзисторов, первый (14) и второй (15) выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого (8) и второго (9) выходных транзисторов. Второй вывод первого (6) резистора нагрузки соединен с коллектором первого (8) выходного транзистора, второй вывод второго (7) резистора нагрузки соединен с коллектором второго (9) выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого (6) и второго (9) выходных транзисторов и общей шиной источников питания (16) включен дополнительный прямосмещенный p-n-переход (17). 6 ил.

Дифференциальный усилитель с низковольтными входными транзисторами, содержащий входной дифференциальный каскад (1) на основе первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первый (4) и второй (5) токовые выходы входного дифференциального каскада (1), связанные с коллекторами соответствующих первого (2) и второго (3) входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого (6) и второго (7) резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, источник опорного тока (10), связанный с объединенными эмиттерами первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, первый (11) и второй (12) вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания (13) и коллекторами соответствующих первого (8) и второго (15) выходных транзисторов, первый (14) и второй (15) выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого (8) и второго (9) выходных транзисторов, отличающийся тем, что второй вывод первого (6) резистора нагрузки соединен с коллектором первого (8) выходного транзистора, второй вывод второго (7) резистора нагрузки соединен с коллектором второго (9) выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого (6) и второго (9) выходных транзисторов и общей шиной источников питания (16) включен дополнительный прямосмещенный p-n переход (17).