ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ ВХОДНОГО СИНФАЗНОГО СИГНАЛА Российский патент 2012 года по МПК H03F3/45 

Описание патента на изобретение RU2458455C1

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ) и компараторах), работающих с двумя сигналами, имеющими синфазную составляющую.

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе двух параллельно включенных дифференциальных каскадов [1-14], которые стали основой многих серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными, так и российскими микроэлектронными фирмами.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №6.583.668 fig.5, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, причем база третьего 5 входного транзистора соединена с первым 8 входом устройства и базой первого 1 входного транзистора, база четвертого 6 входного транзистора соединена со вторым 9 входом устройства и базой второго 2 входного транзистора, первый 10 и второй 11 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику вспомогательного напряжения 12, эмиттер первого 10 выходного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 11 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор первого 10 выходного транзистора соединен с первым 13 выходом устройства и первым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания, коллектор второго 11 выходного транзистора соединен со вторым 16 выходом устройства и вторым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ, фиг.1, состоит в том, что он имеет сравнительно невысокое ослабление входных синфазных сигналов, что отрицательно сказывается на точностных параметрах неинвертирующих решающих усилителей и компараторов двух сигналов на его основе.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, причем база третьего 5 входного транзистора соединена с первым 8 входом устройства и базой первого 1 входного транзистора, база четвертого 6 входного транзистора соединена со вторым 9 входом устройства и базой второго 2 входного транзистора, первый 10 и второй 11 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику вспомогательного напряжения 12, эмиттер первого 10 выходного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 11 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор первого 10 выходного транзистора соединен с первым 13 выходом устройства и первым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания, коллектор второго 11 выходного транзистора соединен со вторым 16 выходом устройства и вторым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор третьего 5 входного транзистора соединен со входом первого 17 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 15 шиной источника питания, коллектор четвертого 6 входного транзистора соединен со входом второго 18 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 15 шиной источника питания, выход первого 17 дополнительного токового зеркала подключен к эмиттеру второго 11 выходного транзистора и через третий 19 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, выход второго 18 дополнительного токового зеркала соединен с эмиттером первого 10 выходного транзистора и через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания.

Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показан заявляемый ДУ в соответствии с формулой изобретения. Схемы исследованных авторами ДУ фиг.1 и фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП HПП «Пульсар» представлены на чертеже фиг.3 (прототип) и фиг.4 (заявляемый ДУ), а на чертеже фиг.5 изображены результаты их компьютерного моделирования - частотная зависимость коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф). Графики фиг.6 характеризуют частотную зависимость дифференциального коэффициента усиления ДУ фиг.3 и фиг.4.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой 4 шине источника питания, причем база третьего 5 входного транзистора соединена с первым 8 входом устройства и базой первого 1 входного транзистора, база четвертого 6 входного транзистора соединена со вторым 9 входом устройства и базой второго 2 входного транзистора, первый 10 и второй 11 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику вспомогательного напряжения 12, эмиттер первого 10 выходного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 11 выходного транзистора соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор первого 10 выходного транзистора соединен с первым 13 выходом устройства и первым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания, коллектор второго 11 выходного транзистора соединен со вторым 16 выходом устройства и вторым входом цепи нагрузки 14, согласованной со второй 15 шиной источника питания. Коллектор третьего 5 входного транзистора соединен со входом первого 17 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 15 шиной источника питания, коллектор четвертого 6 входного транзистора соединен со входом второго 18 дополнительного токового зеркала, согласованного со второй 15 шиной источника питания, выход первого 17 дополнительного токового зеркала подключен к эмиттеру второго 11 выходного транзистора и через третий 19 токостабилизирующий двухполюсник связан с первой 4 шиной источника питания, выход второго 18 дополнительного токового зеркала соединен с эмиттером первого 10 выходного транзистора и через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 4 шиной источника питания.

В частном случае цепь нагрузки 14 реализована на основе резисторов 21 и 22. Элементы r3 и r7 в схеме фиг.2 характеризуют выходные сопротивления двухполюсников 3 и 7 соответственно.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ (фиг.2).

Коэффициент ослабления входного синфазного сигнала ДУ (фиг.2), например, для выхода 13 определяется отношением

где - коэффициент усиления дифференциального сигнала uвх;

uвх=uc1-uc2 - входной дифференциальный сигнал ДУ;

uвых.1 - выходное напряжение на первом 13 выходе, обусловленное дифференциальным напряжением uвх;

- коэффициент преобразования входного синфазного сигнала uc1=uc2=uc в выходное напряжение на первом 13 выходе ДУ.

По определению

где iк10 - приращение коллекторного тока транзистора 10, обусловленное дифференциальным сигналом uвх. Причем

где rэiт/Iэi - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора при статическом токе эмиттера Iэi=I0;

φт≈25 мВ - температурный потенциал.

Поэтому коэффициент усиления по напряжению для входного дифференциального сигнала ДУ (фиг.2)

Если токи двухполюсников 3 и 7 одинаковы (I3=I7=2I0), то в первом приближении

Рассмотрим далее факторы, влияющие на передачу синфазного сигнала со входов ДУ Вх.1, Вх.2 на его выход 13. Изменение uc1=uc2=uc3 (фиг.2) приводит к изменению токов через выходные сопротивления r3 и r7 двухполюсников 3 и 7:

где , .

Это приводит к появлению приращений коллекторных токов транзисторов 1 и 2, а также транзисторов 5 и 6:

Приращения токов iк5 и iк6 поступают на входы токовых зеркал 17 и 18 и, далее, в эмиттеры транзисторов 10 и 11. Если коэффициенты передачи по току токовых зеркал 17 и 18 близки к единице (Кi12.17=1, Ki12.18=1), то в эмиттерной цепи транзисторов 10 и 11 происходит вычитание двух близких по величине токов iк1 и iк5 (iк2 и iк6), обусловленных влиянием синфазных составляющих uc1, uc2 входного сигнала:

или после преобразований

где α1≈1, α2≈1 - коэффициенты усиления по току эмиттеров транзисторов 1 и 2;

Ki12.17=1, Ki12.18=1 - коэффициенты усиления по току токовых зеркал 17, 18.

Таким образом, коэффициент преобразования входного синфазного сигнала Ксф для выхода 13 и Кос.сф ДУ (фиг.2):

где .

Учитывая, что в ДУ-прототипе определяется формулой

из (15) и (16) находим, что в заявляемом ДУ Кос.сф улучшается в Nc-раз, где

Анализ уравнения (17) показывает, что при α51, r3=r7, Ki12.17=1 за счет вычитания в нагрузке R21 составляющих ошибки, обусловленной синфазным сигналом на входах ДУ, общее ослабление синфазных сигналов ДУ (фиг.2) повышается. В усилителе-прототипе этот эффект отсутствует. Поэтому передача синфазного сигнала на выход 13 ДУ-прототипа более значительна и, как следствие, его Кос.сф принимает на один-два порядка меньшее значение.

Результаты компьютерного моделирования (фиг.5) подтверждают данный теоретический вывод - заявляемый ДУ в сравнении с прототипом имеет на 80 дБ (т.е. 104) лучший коэффициент ослабления входных синфазных сигналов. Кроме этого его дифференциальный коэффициент усиления не менее чем на 4 дБ выше, чем у ДУ-прототипа.

Источники информации

1. Патент США №6.583.668, fig.5

2. Патент США №4.511.852, fig.6

3. Патент США №7.436.262, fig.4

4. Патент США №5.966.050, fig.6

5. Патентная заявка США 2006/0181348

6. Патент США №6.917.257, fig.1

7. Патент США №6.172.551, fig.3B

8. Патент США №6.262.628

9. Патент США №4.331.929

10. Патент США №5.936.468

11. Патентная заявка США 2009/0051439

12. Ав. свид. СССР №681538

13. Патент США №6.891.405, fig.1

14. Патент JP 2004040157

Похожие патенты RU2458455C1

название год авторы номер документа
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Крюков Сергей Владимирович
RU2441316C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Белич Сергей Сергеевич
RU2444116C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Белич Сергей Сергеевич
RU2444117C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Белич Сергей Сергеевич
RU2449464C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2005
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Алексей Сергеевич
  • Крюков Сергей Владимирович
RU2292633C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2005
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Алексей Сергеевич
  • Крюков Сергей Владимирович
RU2283533C1
ДВУХТАКТНЫЙ КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2006
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Крюков Сергей Владимирович
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2321161C1
КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2006
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Крюков Сергей Владимирович
  • Хорунжий Андрей Васильевич
RU2319291C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Белич Сергей Сергеевич
  • Серебряков Александр Игоревич
RU2439786C1
ПРЕЦИЗИОННЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Гришков Виталий Николаевич
  • Солодко Михаил Владимирович
RU2433523C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 458 455 C1

Реферат патента 2012 года ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ ВХОДНОГО СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, работающих с двумя сигналами, имеющими синфазную составляющую. Технический результат: повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф). Устройство содержит с первого по четвертый входные транзисторы, с первого по четвертый токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй выходные транзисторы, источник вспомогательного напряжения, цепь нагрузки, первое и второе дополнительные токовые зеркала. 6 ил.

Формула изобретения RU 2 458 455 C1

Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом и через первый (3) токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой (4) шине источника питания, третий (5) и четвертый (6) входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через второй (7) токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой (4) шине источника питания, причем база третьего (5) входного транзистора соединена с первым (8) входом устройства и базой первого (1) входного транзистора, база четвертого (6) входного транзистора соединена со вторым (9) входом устройства и базой второго (2) входного транзистора, первый (10) и второй (11) выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику вспомогательного напряжения (12), эмиттер первого (10) выходного транзистора соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, эмиттер второго (11) выходного транзистора соединен с коллектором второго (2) входного транзистора, коллектор первого 10 выходного транзистора соединен с первым (13) выходом устройства и первым входом цепи нагрузки (14), согласованной со второй (15) шиной источника питания, коллектор второго (11) выходного транзистора соединен со вторым (16) выходом устройства и вторым входом цепи нагрузки (14), согласованной со второй (15) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор третьего (5) входного транзистора соединен со входом первого (17) дополнительного токового зеркала, согласованного со второй (15) шиной источника питания, коллектор четвертого (6) входного транзистора соединен со входом второго (18) дополнительного токового зеркала, согласованного со второй (15) шиной источника питания, выход первого (17) дополнительного токового зеркала подключен к эмиттеру второго (11) выходного транзистора и через третий (19) токостабилизирующий двухполюсник связан с первой (4) шиной источника питания, выход второго (18) дополнительного токового зеркала соединен с эмиттером первого (10) выходного транзистора и через четвертый (20) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой (4) шиной источника питания.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2458455C1

US 6583668 B1, 24.06.2003
US 6094098 A, 25.07.2000
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА 2007
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Хорунжий Андрей Васильевич
  • Крюков Сергей Владимирович
RU2331968C1
Дифференциальный усилитель 1972
  • Матавкин Владимир Владимирович
SU469207A1

RU 2 458 455 C1

Авторы

Прокопенко Николай Николаевич

Белич Сергей Сергеевич

Крюков Сергей Владимирович

Даты

2012-08-10Публикация

2011-03-28Подача