КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК H03F3/34 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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-11]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых (аналогово-цифровых) устройств и является базовой как для традиционных, так и для новых технологий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель по патенту US №7.400.196, fig.3.

Существенный недостаток известного КДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-11], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 B), его коэффициент усиления по напряжению (К_у) получается небольшим (К_уmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения К_у иногда применяются так называемые «динамические нагрузки» (ДН), например на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения U_ДН=0,8÷1,6 В между шиной источника питания и выходом ДН. Причем численные значения U_ДН равны 0,8 B для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:

где U_Эрли - напряжение Эрли выходного p-n-р-транзистора ДН;

I_э=I₀ - статический ток эмиттера p-n-р-выходного транзистора ДН.

Для интегральных транзисторов U_Эрли=20÷30 B. Следовательно, при I₀=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения К_у. Более высокие выходные сопротивления R_ДН реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение U_дн между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U_эб≥1,6 B. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме этого, не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-р-транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск), применение p-n-p-транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.

Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения КДУ неэффективны.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к первому 3 входу устройства, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, базы которых подключены ко второму 6 входу устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого 1, второго 2, третьего 4 и четвертого 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 выходные транзисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 8 шиной источника питания, база первого 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и первым выводом первого 14 вспомогательного резистора, база второго 12 вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего 4 входного транзистора и первым выводом второго 15 вспомогательного резистора, первый 16 и второй 17 двухполюсники нагрузки, вторую 18 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 9 выходного транзистора и коллектором второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 5 входного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора и коллектором первого 11 вспомогательного транзистора, базы первого 9 и второго 10 выходных транзисторов соединены с шиной вспомогательного источника питания 19, коллектор первого 9 выходного транзистора связан с первым 20 выходом устройства и через первый 16 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора связан со вторым 21 выходом устройства и через второй 17 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, причем вторые выводы первого 14 и второго 15 вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания 22.

На фиг.1 показана схема КДУ-прототипа.

На фиг.2 показана схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 показана схема КДУ фиг.2 для случая, когда элементы 14 и 15 реализованы в виде р-n переходов.

На фиг.4 показана схема КДУ-прототипа в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.5 показана схема заявляемого КДУ в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

График фиг.6 характеризует частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (К_у) КДУ фиг.4 и фиг.5, полученные в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.7 представлена зависимость коэффициента усиления КДУ фиг.5 от тока второго 13 токостабилизирующего двухполюсника I₁₃=I₃ (фиг.5) на частоте f=1 МГц.

Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к первому 3 входу устройства, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, базы которых подключены ко второму 6 входу устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого 1, второго 2, третьего 4 и четвертого 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 выходные транзисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 8 шиной источника питания, база первого 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и первым выводом первого 14 вспомогательного резистора, база второго 12 вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего 4 входного транзистора и первым выводом второго 15 вспомогательного резистора, первый 16 и второй 17 двухполюсники нагрузки, вторую 18 шину источника питания. Коллектор первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 9 выходного транзистора и коллектором второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 5 входного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора и коллектором первого 11 вспомогательного транзистора, базы первого 9 и второго 10 выходных транзисторов соединены с шиной вспомогательного источника питания 19, коллектор первого 9 выходного транзистора связан с первым 20 выходом устройства и через первый 16 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора связан со вторым 21 выходом устройства и через второй 17 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, причем вторые выводы первого 14 и второго 15 вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания 22.

На фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 1-2 и 4-15, статический режим которых устанавливается первым 7 токостабилизирующим двухполюсником. Выходной дифференциальный каскод реализован на транзисторах 9 и 10, статический режим которых по цепи базы устанавливается вспомогательным источником питания 19 (Е₁₉). Коллекторная нагрузка КДУ реализована на резисторах 16 и 17, связанных со второй 18 шиной положительного источника питания.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.

Приращения коллекторных токов транзисторов 1÷5 в схеме фиг.2 зависят от входного напряжения:

где - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1-5;

φ_т=25 мВ - температурный потенциал.

Ток i_к2 (i_к4) создает на резисторах 14 и 15 переменное напряжение:

В результате между базами транзисторов 11 и 12 образуется приращение напряжений:

которое преобразуется в коллекторные токи транзисторов 11 и 12:

Таким образом, приращение эмиттерного (коллекторного) тока транзистора 9:

или после преобразований:

Следовательно, коэффициент усиления по напряжению заявляемого КДУ относительно выхода Вых.1:

Если выбрать I₁₃=2I₀, I₇=4I₀, то

При реальных значениях параметров последнюю формулу можно упростить:

Когда I₀=1 мА, R16=R14=1 кОм, из (6)-(10) получаем, что К_у≈400. Это значительно лучше, чем в ДУ-прототипе.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6, фиг.7). Данные графики показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление, которое может изменяться за счет тока второго 13 токостабилизирующего двухполюсника I₁₃=I₃.

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ-устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US №2007/0188232

2. Патент США №5.461.342, fig.1

3. Патент США №7.236.011, fig.4

4. Патент UK №1.520.085, кл. НЗТ, fig.2

5. Патент США №3.482.177

6. Патент DE№2.418.455

7. Патент RU №2.282.303, fig.2

8. Патент США №5.568.092, fig.1

9. Патент США №5.440.271, fig.1

10. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: РадиоСофт, 2002. - С.142, рис.6.64.

11. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: РадиоСофт, 2002. - С.227, рис.8.51.

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению каскодного дифференциального усилителя при малом напряжении питания. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый и второй входные транзисторы, базы которых подключены к первому входу устройства, третий и четвертый входные транзисторы, базы которых подключены ко второму входу устройства, первый токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого, второго, третьего и четвертого входных транзисторов и первой шиной источника питания, первый и второй выходные транзисторы, первый и второй вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой шиной источника питания, база первого вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго входного транзистора и первым выводом первого вспомогательного резистора, база второго вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего входного транзистора и первым выводом второго вспомогательного резистора, первый и второй двухполюсники нагрузки, вторую шину источника питания, причем вторые выводы первого и второго вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, базы которых подключены к первому (3) входу устройства, третий (4) и четвертый (5) входные транзисторы, базы которых подключены ко второму (6) входу устройства, первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого (1), второго (2), третьего (4) и четвертого (5) входных транзисторов и первой (8) шиной источника питания, первый (9) и второй (10) выходные транзисторы, первый (11) и второй (12) вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй (13) токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой (8) шиной источника питания, база первого (11) вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго (2) входного транзистора и первым выводом первого (14) вспомогательного резистора, база второго (12) вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего (4) входного транзистора и первым выводом второго (15) вспомогательного резистора, первый (16) и второй (17) двухполюсники нагрузки, вторую (18) шину источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (1) входного транзистора соединен с эмиттером первого (9) выходного транзистора и коллектором второго (12) вспомогательного транзистора, коллектор четвертого (5) входного транзистора соединен с эмиттером второго (10) выходного транзистора и коллектором первого (11) вспомогательного транзистора, базы первого (9) и второго (10) выходных транзисторов соединены с шиной вспомогательного источника питания (19), коллектор первого (9) выходного транзистора связан с первым (20) выходом устройства и через первый (16) двухполюсник нагрузки подключен ко второй (18) шине источника питания, коллектор второго (10) выходного транзистора связан со вторым (21) выходом устройства и через второй (17) двухполюсник нагрузки подключен ко второй (18) шине источника питания, причем вторые выводы первого (14) и второго (15) вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания (22).

2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве дополнительного источника питания (22) используется шина вспомогательного источника питания (19).

3. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, в качестве дополнительного источника питания (22) используется вторая (18) шина источника питания.