КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 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, высокочастотных усилителях, фазорасщепителях, компараторах и т.п.).

В современной микроэлектронике широкое применение имеют классические каскодные дифференциальные усилители (фиг.1, КДУ) [1÷80], которые стали базовым функциональным узлом многих аналоговых микросхем, в том числе СВЧ-диапазона. Однако в данных КДУ на верхнюю граничную частоту f_в коэффициента усиления по напряжению (К₀) (по уровню - 3 дБ) оказывают существенное влияние емкости коллектор-база С_кб выходных транзисторов (С_кб=0,5÷2 пФ для ряда технологий). В конечном итоге это не позволяет реализовать на основе традиционных каскодных усилителей микроэлектронные изделия с предельными значениями f_в.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является КДУ фирмы Texas Instruments, предлагаемый в патенте US 5461342. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 вход устройства, связанный с базами первого 1 и третьего 5 входных транзисторов, второй 9 вход устройства, связанный с базами второго 2 и четвертого 6 входных транзисторов, первый 10 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, вспомогательный источник напряжения смещения 12, к которому подключены базы первого 10 и второго 11 выходных транзисторов, цепь нагрузки 13, которая связана с противофазными выходами устройства 14 и 15 и коллекторами первого 10 и второго 11 выходных транзисторов, согласованную с шиной второго 16 источника питания, первый 17 и второй 18 вспомогательные резисторы.

Существенный недостаток известного КДУ состоит в том, что он имеет сравнительно небольшие значения верхней граничной частоты f_в.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот - повышении верхней граничной частоты f_в коэффициента усиления по напряжению К₀.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.2), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 вход устройства, связанный с базами первого 1 и третьего 5 входных транзисторов, второй 9 вход устройства, связанный с базами второго 2 и четвертого 6 входных транзисторов, первый 10 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, вспомогательный источник напряжения смещения 12, к которому подключены базы первого 10 и второго 11 выходных транзисторов, цепь нагрузки 13, связанную с противофазными выходами устройства 14 и 15, а также коллекторами первого 10 и второго 11 выходных транзисторов и согласованную с шиной второго 16 источника питания, первый 17 и второй 18 вспомогательные резисторы, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 19 и второй 20 дополнительные транзисторы, коллектор первого 19 дополнительного транзистора связан с шиной второго 16 источника питания через первый 17 вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором третьего 5 входного транзистора, а база подключена к эмиттеру первого 10 выходного транзистора, коллектор второго 20 дополнительного транзистора связан с шиной второго 16 источника питания через второй 18 вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором четвертого 6 входного транзистора, а база подключена к эмиттеру второго 11 выходного транзистора.

На фиг. 1 представлена схема КДУ-прототипа.

На фиг.2 показана схема заявляемого КДУ в соответствии формулой изобретения.

На фиг.3 показана схема КДУ-прототипа, в которой отсутствуют предлагаемые в заявке связи между элементами, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.4 приведена схема заявляемого КДУ фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», в котором емкости коллектор-база С_кб=С2=С3=С1=С4 моделируются конденсаторами С=1 пФ.

На фиг. 5 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых КДУ фиг. 3 и фиг. 4.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, третий 5 и четвертый 6 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого 3 источника питания через второй 7 токостабилизирующий двухполюсник, первый 8 вход устройства, связанный с базами первого 1 и третьего 5 входных транзисторов, второй 9 вход устройства, связанный с базами второго 2 и четвертого 6 входных транзисторов, первый 10 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, второй 11 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, вспомогательный источник напряжения смещения 12, к которому подключены базы первого 10 и второго 11 выходных транзисторов, цепь нагрузки 13, связанную с противофазными выходами устройства 14 и 15, а также коллекторами первого 10 и второго 11 выходных транзисторов и согласованную с шиной второго 16 источника питания, первый 17 и второй 18 вспомогательные резисторы. В схему введены первый 19 и второй 20 дополнительные транзисторы, коллектор первого 19 дополнительного транзистора связан с шиной второго 16 источника питания через первый 17 вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором третьего 5 входного транзистора, а база подключена к эмиттеру первого 10 выходного транзистора, коллектор второго 20 дополнительного транзистора связан с шиной второго 16 источника питания через второй 18 вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором четвертого 6 входного транзистора, а база подключена к эмиттеру второго 11 выходного транзистора, цепь нагрузки емкости коллектор-база транзисторов (С_кб) моделируется элементами 21, 22, 23, 24. Цепь нагрузки 13 в схеме фиг. 2 содержит резисторы 25 и 26.

Рассмотрим работу заявляемого КДУ фиг.2 в сравнении с КДУ-прототипом фиг.1.

С повышением частоты на работу схемы фиг.2 начинают оказывать влияние емкости коллектор-база 23 и 24 транзисторов 11 и 20 (С₂₃, С₂₄) - через них протекают токи i₂₃ и i₂₄, комплексы которых можно найти по формулам:

,

где - комплексы сопротивлений конденсаторов 23, 24 на частоте ω;

- комплексы напряжений на коллекторах транзисторов 11 и 20.

Ток i₂₄ (İ₂₄) поступает в эмиттер, а затем коллектор транзистора 11, что уменьшает емкостную составляющую суммарного тока в узле «А» второго 15 выхода КДУ. Действительно, если выбрать R18=R26 и С23=С24 и считать, что в первом приближении , то эквивалентная емкость в цепи Вых.2 (15) уменьшится:

где α₁₁≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 11. Это уменьшает в ряде важных для практики случаев эквивалентную постоянную времени τ_в, определяющую верхнюю граничную частоту ω_в=2πf_в≈1/τ_в усилителя фиг. 2 в целом

Таким образом, предельный выигрыш N_f по граничной частоте f_в, который обеспечивает предлагаемое решение фиг. 2 в сравнении с КДУ-прототипом фиг. 1:

,

где - верхняя граничная частота КДУ-прототипа.

Представленные на чертеже фиг. 5 результаты компьютерного моделирования подтверждают данные теоретические выводы.

В реальных схемах КДУ для существенного повышения f_в необходимо иметь некоторую асимметрию постоянных времени:

τ_в1 =C₂₃R₂₆≠τ_в2=C₂₄R₁₈.

Таким образом, в схеме фиг.2 повышается верхняя граничная частота, что является ее существенным преимуществом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US №2010/0279641, fig.14

2. Патентная заявка US №2010/0315165, fig.1

3. Патентная заявка US №2010/0148868, fig.2

4. Патентная заявка US №2010/0046677, fig.3

5. Патент US №7737783

6. Патент SU №427451

7. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001, стр.362, RC4805

8. Патент JP №61264806

9. Патент US №4600893, fig.1

10. Патентная заявка US №2007/0115056, fig.2

11. Патент US №6472908, fig.4a

12. Патент США №5568092, fig 8

13. Патент США №6366166, fig 4

14. Патент США №6882223, fig 5

15. Патент США №6515547, fig 9

16. Патентная заявка US 2005/0104661, fig 5

17. Патентная заявка US 2006/0049874

18. Патентная заявка US 2006/0071712, fig 4

19. Патентная заявка US 2006/0164171, fig 4

20. Патентная заявка US 2005/0174175, fig 2

21. Патентная заявка US 2004/0246051, fig 1

22. Патент США №6100759, fig 3

23. Патент США №6642787

24. Патент ЕР №1480333

25. Патент WO 03/084054

26. Патент США №3660773

27. Патент Франции №1484340

28. Патент ФРГ №1214775

29. Патент Англии №1520085

30. Патент США №3482177

31. Патент Англии №1212342

32. Патент ФРГ №1537590

33. Патент Франции №1548008

34. Патентная заявка ФРГ №2418455

35. Патент Франции №2227574

36. Ав. св. СССР №970638

37. Патент Швеции №359989

38. Патент Англии №1500993

39. Ав. св. СССР №276170

40. Патент Англии №1334759

41. Патент США №6304143

42. Патент США №5418491

43. Патент США №4463319

44. Патент США №6717474

45. Патент США №6734720

46. Патент США №4723111

47. Патент США №4293824

48. Патент США №5323121

49. Патент США №5091701

50. Патент США №4406990

51. Патент США №5422600

52. Патент США №6788143

53. Патент США №4274061

54. Патент США №5327100

55. Патент США №5786729

56. Патент США №3644838

57. Патент США №4600893

58. Патент США №4390850

59. Патент США №6628168

60. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: «Радио и связь», 1989, с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.

61. Патент США №6218900, фиг.1

62. Патентная заявка US 2002/0196079

63. Патент США Re 30.587

64. Патент ЕР 1227580

65. Патент США №6714076

66. Патентная заявка US 2004/0090268 А1

67. Патент США №4959622, фиг.1

68. Патент США №6018268

69. Патент США №5952882

70. Патент США №6580325

71. Патент США №6965266

72. Патент США №6867643

73. Патент США №6236270

74. Патент США №6229394

75. Патент США №5734296

76. Патент США №5477190

77. Патент США №6084475

78.Патент США №3733559

79. Патентная заявка US 2005/0001682 А1

80. Патент США №6300831

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, высокочастотных усилителях, фазорасщепителях, компараторах и т.п.). Технический результат: расширение диапазона рабочих частот - повышение верхней граничной частоты f_в коэффициента усиления по напряжению К₀. Каскодный дифференциальный усилитель содержит с первого по червертый входные транзисторы, первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй выходные транзисторы, вспомогательный источник напряжения смещения, первый и второй вспомогательные резисторы, первый и второй дополнительные транзисторы. 5 ил.

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого (3) источника питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, третий (5) и четвертый (6) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с шиной первого (3) источника питания через второй (7) токостабилизирующий двухполюсник, первый (8) вход устройства, связанный с базами первого (1) и третьего (5) входных транзисторов, второй (9) вход устройства, связанный с базами второго (2) и четвертого (6) входных транзисторов, первый (10) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, второй (11) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго (2) входного транзистора, вспомогательный источник напряжения смещения (12), к которому подключены базы первого (10) и второго (11) выходных транзисторов, цепь нагрузки (13), связанную с противофазными выходами устройства (14) и (15), а также коллекторами первого (10) и второго (11) выходных транзисторов, согласованную с шиной второго (16) источника питания, первый (17) и второй (18) вспомогательные резисторы, отличающийся тем, что в схему введены первый (19) и второй (20) дополнительные транзисторы, коллектор первого (19) дополнительного транзистора связан с шиной второго (16) источника питания через первый (17) вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором третьего (5) входного транзистора, а база подключена к эмиттеру первого (10) выходного транзистора, коллектор второго (20) дополнительного транзистора связан с шиной второго (16) источника питания через второй (18) вспомогательный резистор, эмиттер соединен с коллектором четвертого (6) входного транзистора, а база подключена к эмиттеру второго (11) выходного транзистора.