ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2012 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, решающих усилителях, фильтрах, компараторах т.п.).

Известны схемы классических дифференциальных операционных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.

В последние годы ДУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1)В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 120÷160 ГГц.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту RU 2346382, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, напряжения первого 6 источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет нестабильный уровень выходного синфазного напряжения, зависящий от параметров резисторов обратной связи 12 и 13 и напряжения первого 6 источника питания. Это значительно затрудняет его согласование с последующим и функциональными узлами.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и нулевое значение.

Дополнительная задача - расширение частотного диапазона за счет исключения эффекта умножения емкостей коллектор-база входных транзисторов 1 и 2 и его влияния на входной импеданс ДУ в диапазоне высоких частот.

Поставленные задачи решаются тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 17 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора и связан с шиной первого 6 источника питания через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с базой первого 7 выходного транзистора, коллектор второго 17 дополнительного транзистора соединен с базой второго 8 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов связаны с шиной первого 6 источника питания через соответствующие первый 19 и второй 20 вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого 12 и второго 13 резисторов обратной связи соединен с базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП ИПП «Пульсар», а на фиг.4 - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты.

На фиг.5 представлена зависимость выходных напряжений для парафазных и дифференциальных выходов ДУ (фиг.3) от входного синусоидального напряжения u_вх=30 мВ. Графики фиг.5 показывают, что заявляемый ДУ имеет два противофазных выходных напряжения и нулевой уровень выходного синфазного статического напряжения.

Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 17 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора и связан с шиной первого 6 источника питания через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с базой первого 7 выходного транзистора, коллектор второго 17 дополнительного транзистора соединен с базой второго 8 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов связаны с шиной первого 6 источника питания через соответствующие первый 19 и второй 20 вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого 12 и второго 13 резисторов обратной связи соединен с базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллекторы первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с шиной второго 9 источника питания.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2).

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 5, 14, 15, 18, 19 и 20. Причем коллекторные и эмиттерные токи:

Статическое напряжение U₁₀ на выходах Вых.1 (10) и Вых.2 (11) ДУ при нулевом входном сигнале (u_вх=0) можно найти из уравнения:

где U_эб.1=U_эб.16, U_эб.2=U_эб.17 - напряжение «эмиттер-база» входных транзисторов 1 и 16, 2 и 1.7;

- составляющая суммарного тока баз транзисторов 16 и 17 в резисторе обратной связи 12 (13).

Таким образом, при -типовых значениях токов базы транзисторов 16, 17, а также при R₁₂=R₁₃=500÷1000 Ом выходное синфазное напряжение ДУ (фиг.2) практически равно нулю в широком диапазоне температурных и радиационных воздействий, а также изменений напряжений питания. Это весьма существенно для согласования заявляемого ДУ с последующими функциональными узлами радиоэлектронной аппаратуры.

Кроме этого, схема фиг.2 имеет более широкий частный диапазон по входной проводимости. Это связано с тем, что в ней по входам 3, 4 отсутствует эффект умножения емкостей «коллектор-база» (С_кб) входных транзисторов (1, 2), характерный для ДУ-прототипа (фиг.1), в котором входные емкости

где С_вх.3, С_вх.4 - входные емкости ДУ (фиг.1) по первому (3) и второму (4) входам;

К_у1>>1, К_у2>>1 - коэффициент усиления по напряжению входного каскада ДУ со входов (3), (4) до коллекторов соответствующих транзисторов (1) и (2).

В заявляемом ДУ (фиг.2) входные емкости минимальны:

Это расширяет частотный диапазон ДУ.

Таким образом, предлагаемый ДУ имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

Литература

1. Budyakov, A.Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko M, Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков. / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.

2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CS1CS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.

3. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz," IEEE BCTM, pp.1-8, Oct.2006.

4. Патент США №4.274.394, фиг.2.

5. Патент США №3.619.797.

6. Патент США №3.622.902.

7. Патент США №3.440.554.

8. А.св. СССР №299013.

9. Патент Англии №1.1.75.329, НЗТ.

10. Патент США №3.304.512.

11. Патент США №4.371.93.

12. А.св. СССР №421105.

13. А.св. СССР №764100.

14. А.св. СССР №669471.

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, решающих усилителях, фильтрах, компараторах т.п.). Технический результат: создание условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение дифференциального усилителя (ДУ) будет иметь высокую стабильность и нулевое значение. Дополнительная задача - расширение частотного диапазона за счет исключения эффекта умножения емкостей коллектор-база входных транзисторов (Т) (1) и (2) и его влияния на входной импеданс ДУ в диапазоне высоких частот. ДУ содержит первый (1) и второй (2) входные Т, базы которых соединены со входами (3) и (4) устройства, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (1) входного Т и шиной первого (6) источника питания (ИП), первый (7) и второй (8) выходные Т, коллекторы которых соединены с шиной второго (9) ИП, эмиттеры связаны с соответствующими выходами (10), (11) устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первого (12) и второго (13) резисторов цепи обратной связи, первый (14) двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого (7) выходного Т и шиной второго (9) ИП, второй (15) двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго (8) выходного Т и шиной второго (9) ИП. В схему введены первый (16) и второй (17) дополнительные Т с объединенными базами, эмиттер первого (16) дополнительного Т соединен с эмиттером первого (1) входного Т, эмиттер второго (17) дополнительного Т соединен с эмиттером второго (2) входного Т и связан с шиной первого (6) ИП через первый (18) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого (16) дополнительного Т связан с базой первого (7) выходного Т, коллектор второго (17) дополнительного Т соединен с базой второго (8) выходного Т, причем эмиттеры первого (7) и второго (8) выходных Т связаны с шиной первого (6) ИП через соответствующие первый (19) и второй (20) вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого (12) и второго (13) резисторов обратной связи соединен с базами первого (16) и второго (17) дополнительных Т. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, базы которых соединены со входами (3) и (4) устройства, первый (5) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (1) входного транзистора и шиной первого (6) источника питания, первый (7) и второй (8) выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго (9) источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими выходами (10), (11) устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первого (12) и второго (13) резисторов цепи обратной связи, первый (14) двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого (7) выходного транзистора и шиной второго (9) источника питания, второй (15) двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго (8) выходного транзистора и шиной второго (9) источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первый (16) и второй (17) дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого (16) дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, эмиттер второго (17) дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора и связан с шиной первого (6) источника питания через первый (18) дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого (16) дополнительного транзистора связан с базой первого (7) выходного транзистора, коллектор второго (17) дополнительного транзистора соединен с базой второго (8) выходного транзистора, причем эмиттеры первого (7) и второго (8) выходных транзисторов связаны с шиной первого (6) источника питания через соответствующие первый (19) и второй (20) вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого (12) и второго (13) резисторов обратной связи соединен с базами первого (16) и второго (17) дополнительных транзисторов.

2. Дифференциальный операционный усилитель по п.1, отличающийся тем, что коллекторы первого (1) и второго (2) входных транзисторов соединены с шиной второго (9) источника питания.