ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ Российский патент 2012 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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания.

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе двух параллельно включенных (по входу) дифференциальных каскадов с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов. ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-12]. Однако такие ДУ имеют недостаточно высокое входное дифференциальное сопротивление (R_вx) и повышенные входные статические токи (I_вх.1 I_вх.2), что обусловлено параллельным включением двух идентичных входных дифференциальных каскадов.

Кроме этого известные ДУ характеризуются недостаточно высоким коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) при использовании в общей эмиттерной цепи в качестве токостабилизирующих двухполюсников пассивных элементов (резисторов), что отрицательно сказывается на точности аналоговых интерфейсов с их использованием. Это связано с тем, что для получения больших значений К_ос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих двухполюсников (резисторов) на уровне сотен килоом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании (Е_П=1,5÷5 В). С другой стороны, при малых напряжениях питания (Е_П=±1 В) применение резисторов в качестве токостабилизирующих двухполюсников является единственным вариантом построения дифференциальных каскадов, так как другие схемы их построения по биполярным технологиям требуют напряжения питания не менее 1,5 В).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в авторском свидетельстве СССР №459780. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет невысокое входное дифференциальное сопротивление (R_вх), а также сравнительно большие входные токи и малый коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф). Причем второй недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников 4 и 12 резисторов или простейших источников тока на транзисторах с малым напряжением Эрли (А.св. СССР №459780), которые при милиамперных токах имеют небольшое внутреннее сопротивление (порядка 30-60 КОм).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении R_вx и уменьшении входных статических токов. Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) при относительно небольших внутренних сопротивлениях первого 4 и второго 12 токостабилизирующих двухполюсников. При этом в заявляемом ДУ в качестве токостабилизирующих двухполюсников при низковольтном питании могут применяться сравнительно низкоомные резисторы (единицы килоом). Тем не менее это несущественно сказывается на численных значениях К_ос.сф.

Поставленные задачи решаются тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - токовое зеркало 7 содержит первый 13 и второй 14 дополнительные токовые выходы, первый 13 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с базой вспомогательного транзистора 10 и эмиттером дополнительного транзистора 15, база дополнительного транзистора 15 соединена с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, его коллектор подключен к первой 3 шине источника питания, а второй 14 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора.

На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа. Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на чертеже фиг.2, а на чертеже фиг.3 приведена схема ДУ фиг.2 с конкретным построением токового зеркала 7.

На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях SiGe интегральных транзисторов.

На чертеже фиг.5 показаны частотные зависимости коэффициента ослабления входных синфазных сигналов сравниваемых схем ДУ.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания. Токовое зеркало 7 содержит первый 13 и второй 14 дополнительные токовые выходы, первый 13 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с базой вспомогательного транзистора 10 и эмиттером дополнительного транзистора 15, база дополнительного транзистора 15 соединена с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, его коллектор подключен к первой 3 шине источника питания, а второй 14 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 4 и второй 12 токостабилизирующие двухполюсники имеют одинаковые внутренние сопротивления. При этом коэффициенты передачи токового зеркала 7 с его входа 11 к первому 6 токовому выходу и второму 14 дополнительному токовому выходу имеют значения, близкие к 0,5.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2

Статический режим ДУ фиг.2 при нулевых входных напряжениях u_c1=u_c2=0 обеспечивается первым 4 и вторым 12 токостабилизирующими двухполюсниками. При этом статическое падение напряжения на токостабилизирующих двухполюсниках (в частном случае - резисторах) 12 и 4 одинаково и при одинаковых сопротивлениях R4=R12 через них текут одинаковые статические токи.

Входная дифференциальная проводимость (У_вх.Σ.п) ДУ-прототипа (фиг.1) для входа Вх.1 определяется суммой входных проводимостей двух параллельно включенных дифференциальных каскадов

где У_вх.1-2 - входная проводимость дифференциального каскада на транзисторах 1 и 2;

У_вх.10 - входная проводимость дифференциального каскада на основе вспомогательного транзистора 10. Причем

где β₁, β_i - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 1 и 10;

φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

r_эi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора;

I₀=I_эi - статический эмиттерный ток i-го транзистора.

Входная проводимость заявляемого ДУ фиг.2 определяется только входным транзистором 1 (фиг.2), т.е.

У_вх.Σ.н=У_вх.1-2.

Таким образом, в заявляемом устройстве входное сопротивление R_вх в два раза выше, чем R_вх в известном устройстве.

Аналогично можно показать, что статические входные токи I_вx.1, I_вх.2 в заявляемом ДУ фиг.2 в два раза меньше, чем в ДУ-прототипе фиг.1.

Рассмотрим далее работу ДУ фиг.2 при синфазных входных сигналах u_c=u_c1=u_c.

Если на входы ДУ фиг.2 подаются входные синфазные напряжения u_c1=u_c2=u_c, то это вызывает изменение токов 2i₄ и 2i₁₂ через двухполюсники 4 и 12:

где , - внутренние сопротивления двухполюсников 4 и 12;

u_Э15 - приращение напряжения на эмиттерах входных транзисторов 1 и 2, вызванное изменением u_c;

u_Э15≈u_Э≈u_C - приращение напряжения на эмиттере дополнительного транзистора 15.

Ток 2i₄ делится пополам между эмиттерами транзисторов 1 и 2, далее, передается на выходы 5 и 9 и создает в двухполюсниках нагрузки R_н1, R_н2 первые составляющие выходных токов i_н1, i_н2, обусловленные влиянием синфазного сигнала u_c:

где α_i - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора.

Вторые составляющие выходных токов (i₆, i₁₄), обусловленные влиянием u_c и направленные в двухполюсниках нагрузки R_н1 R_н2 противофазно первым составляющим i₆, i₁₄, создаются токовым зеркалом 7:

где К_i6, К_i14 - коэффициенты передачи по току токового зеркала 7 к выходу 6, к выходу 14 соответственно.

Поэтому результирующие токи i_н1, i_н2 в нагрузках R_н1 R_н2 и напряжение на двухполюсниках нагрузки R_н1, R_н2 а также коэффициенты передачи синфазного сигнала К_сф со входов Вх.1, Вх.2 к выходам ДУ 5 и 9:

где у₄, у₁₂ - проводимости токостабилизирующих двухполюсников 4 и 12;

К_сф.1, К_сф.2 - коэффициенты передачи синфазного сигнала ДУ фиг.2 к выходам 5 и 9.

Усиление дифференциального сигнала u_вх=u_с1-u_c2 к выходам 5 и 9 можно найти по формулам:

Поэтому коэффициенты ослабления входных синфазных сигналов для выходов 5 и 9:

Если учесть, что α₁₀=α₁=α₂ и y₁₂=у₄, а также при выборе в соответствии с п.2 формулы изобретения К_i6=К_i14=0,5, то из (16)-(17) следует, что коэффициент ослабления входных синфазных сигналов ДУ фиг.2 существенно повышается, причем абсолютные неодинаковые значения у₁₂ и у₄ слабо влияют на К_оc.сф.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами (фиг.5) моделирования частотной зависимости коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ фиг.6., т.е. заявляемый ДУ имеет более высокие значения коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) при сравнительно низкоомных двухполюсниках 4 и 12. Однако данная схема эффективна и при других вариантах построения цепей стабилизации статического режима.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение обеспечивает повышение R_вх, уменьшение входных статических токов (I_вх.1, I_вx.1) при достаточно высоком ослаблении синфазных сигналов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ав.св. СССР №459780

2. Патент US 4.618.833

3. Патентная заявка US 2005/0200411

4. Патент US №6.917.257, fig.1

5. Патентная заявка US 2005/0200411, fig.2, fig.6

6. Патент США 5.373.741

7. Патент США 6.172.551

8. Патент США 4.866.397

9. Патент США 5.936.468

10. Патентная заявка US 2003/0141919

11. Патент DE 10321442

12. Патент JP 2004040157

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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания. Технический результат заключается в повышении R_вх и уменьшении входных статических токов, а также в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) при относительно небольших (единицы килоом) внутренних сопротивлениях первого и второго токостабилизирующих двухполюсников. Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания содержит первый и второй входные транзисторы, вспомогательный транзистор, дополнительный транзистор, токовое зеркало, первый и второй токостабилизирующие двухполюсники. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой (3) шиной источника питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого (1) входного транзистора соединен с первым (5) выходом устройства и первым (6) выходом токового зеркала (7), согласованного со второй (8) шиной источника питания, коллектор второго (2) выходного транзистора соединен со вторым (9) выходом устройства, вспомогательный транзистор (10), коллектор которого подключен ко входу (11) токового зеркала (7), а эмиттер через второй (12) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (3) шиной источника питания, отличающийся тем, что токовое зеркало (7) содержит первый (13) и второй (14) дополнительные токовые выходы, первый (13) дополнительный токовый выход токового зеркала (7) соединен с базой вспомогательного транзистора (10) и эмиттером дополнительного транзистора (15), база дополнительного транзистора (15) соединена с объединенными эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, его коллектор подключен к первой (3) шине источника питания, а второй (14) дополнительный токовый выход токового зеркала (7) соединен с коллектором второго (2) входного транзистора.

2. Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания по п.1, отличающийся тем, что первый (4) и второй (12) токостабилизирующие двухполюсники имеют одинаковые внутренние сопротивления, при этом коэффициенты передачи токового зеркала (7) с его входа (11) к первому (6) токовому выходу и второму (14) дополнительному токовому выходу имеют значения, близкие к 0,5.