ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ Российский патент 2013 года по МПК H03F3/34 

Описание патента на изобретение RU2475942C1

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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе «перегнутого» каскода с парафазным (дифференциальным) выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11].

Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 4.600.893, содержащий первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не работоспособен из-за проблем со статическим режимом при высоких значениях коэффициента усиления по напряжению (Ку), зависящего от сопротивлений первого 10 (r10) и второго 11 (r11) токостабилизирующих двухполюсников, которые могут (для увеличения Ку) выполняться в виде источников тока. Кроме этого, при высоких r10, r11 известный ДУ имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени:

где СΣ5, CΣ8 - эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 5, 10 и 8, 11. Если СΣ5Σ8≤0,5 пФ, а r10≈r11≈106 Ом, то τ58=510-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ, повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению Ку и верхней граничной частоты fв (по уровню - 3 дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18. Кроме того, в заявляемом ДУ первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа с выходным каскадом на p-n-p транзисторах.

На чертеже фиг.2 показан ДУ фиг.1 с выходным каскадом на n-p-n транзисторах.

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферных усилителей 15 и 13, а также неинвертирующего каскада 18.

На чертеже фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5 при разных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С2 (20) и С3 (19).

На чертеже фиг.7 показана зависимость выходных напряжений ДУ при входном синусоидном сигнале Uin1=1 мВ.

Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18, первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

В схемах фиг.3, фиг.4 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 21 и 22 и источнике опорного тока 23. В дифференциальном усилителе фиг.4, соответствующем чертежу фиг.3, буферный усилитель 13 реализован на транзисторе 25 и источнике тока 33, а буферный усилитель 15 содержит соответственно транзистор 24 и источник опорного тока 32. Кроме этого неинвертирующий каскад 18 реализован здесь на транзисторе 26, резисторах 27, 29 и p-n переходе 28. Конденсаторы 30 и 31 моделируют эквивалентные емкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены емкостями на подложку элементов 5, 10, 8, 11, а также емкостями коллектор-база транзисторов 5, 25 и 8, 24.

Рассмотрим работу ДУ фиг.3.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.3 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 10, 11 и 23, причем коллекторные (Iкi) токи транзисторов схемы:

,

где I0 - заданное значение опорного тока, например 1 мА.

Статические напряжения на выходах ДУ 14 и 12 при нулевом входном сигнале (uвх=0) близко к нулю, что обеспечивается неинвертирующим каскадом 18:

При этом синфазная нестабильность или технологические изменения токов I10, I11 передаются на выходы 12 и 14 и вызывают «подстройку» коллекторных токов транзисторов 5 и 8, что в конечном итоге стабилизирует статический режим схемы.

Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.3 не зависит от дифференциальных сопротивлений (ri=r10=r11) токостабилизирующих двухполюсников 10, 11, которые для повышения Ку до уровня 60÷70 дБ (фиг.6) могут выполняться в виде источников тока. В ДУ-прототипе фиг.1 такое исполнение элементов 10, 11 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения ri=r10=r11 позволяют получить в схеме фиг.3 повышенные значения Ку.

Замечательная особенность заявляемого ДУ состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов 19 и 20 более чем на порядок расширяется диапазон рабочих частот ДУ (фиг.6) - верхняя граничная частота fв увеличивается от 4,3 мГц до 48,3 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией эквивалентной емкости на подложку С3031) емкостью корректирующего конденсатора 20 (19). При этом эффективные емкости С30.эф, С31.эф уменьшаются до величины:

где α8≈α5≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 8 и 5.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 8 и 5) уменьшаются, что повышает более чем на порядок верхнюю граничную частоту fв ДУ (фиг.6).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают (фиг.6, фиг.7), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.3) реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US №4.406.990, fig.4

2. Патент US №4.600.893

3. Патент US №5.557.238

4. Патент US №5.734.296, fig.3

5. Патент US №5.420.540

6. Патент US №3.879.689, fig.3

7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - стр.87, рис.5.20.

8. Патентная заявка US №2005/0206454, fig.4

9. Патент US №6.710.654

10. Патент US №6.300.831

11. Патент US №5.422.600

Похожие патенты RU2475942C1

название год авторы номер документа
ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ 2012
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Белич Сергей Сергеевич
  • Бутырлагин Николай Владимирович
RU2479113C1
ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Крутчинский Сергей Георгиевич
  • Будяков Петр Сергеевич
RU2469464C1
Быстродействующий операционный усилитель 2023
  • Кузнецов Дмитрий Владимирович
  • Клейменкин Дмитрий Владимирович
  • Туманов Егор Михайлович
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2810548C1
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИМИ ЦЕПЯМИ КОРРЕКЦИИ 2018
  • Жук Алексей Андреевич
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Прокопенко Николай Николаевич
RU2684500C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ 2009
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Серебряков Александр Игоревич
RU2416147C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ НА АРСЕНИД-ГАЛЛИЕВЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРАХ 2021
  • Чумаков Владислав Евгеньевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Кунц Алексей Вадимович
  • Бугакова Анна Витальевна
RU2770912C1
КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ 2010
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Серебряков Александр Игоревич
  • Белич Сергей Сергеевич
RU2423778C1
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2011
  • Малышев Игорь Васильевич
  • Крутчинский Сергей Георгиевич
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Старченко Евгений Иванович
  • Гавлицкий Александр Иванович
RU2452078C1
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ 2018
  • Бугакова Анна Витальевна
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Савченко Евгений Матвеевич
RU2676014C1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ 2011
  • Прокопенко Николай Николаевич
  • Будяков Петр Сергеевич
  • Серебряков Александр Игоревич
RU2439783C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 475 942 C1

Реферат патента 2013 года ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является обеспечение высокой стабильности статического режима дифференциального усилителя, повышение значения его коэффициента усиления по напряжению и верхней граничной частоты. Широкополосный дифференциальный усилитель содержит первый (1) входной каскад, первый (5) выходной транзистор, второй (8) выходной транзистор, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания. Коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор. 7 ил.

Формула изобретения RU 2 475 942 C1

Широкополосный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) входной каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом и через первый (6) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, второй (8) выходной транзистор, база которого подключена к базе первого (5) выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым (2) токовым выходом и через второй (9) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2475942C1

Очаг для массовой варки пищи, выпечки хлеба и кипячения воды 1921
  • Богач Б.И.
SU4A1
Широкополосный усилитель 1987
  • Стейскал Виктор Ярославович
  • Марценюк Валерий Пантелеймонович
  • Волков Валерий Петрович
  • Рафалюк Александр Евгеньевич
SU1584075A1
УСИЛИТЕЛЬ С ВЫСОКИМ КПД 2006
  • Шпак Сергей Всеволодович
RU2307454C1
0
  • Иностранец Ларе Мальте Роланд Веттлен
  • Иностранна Фирма Тетра Пак
SU244973A1

RU 2 475 942 C1

Авторы

Прокопенко Николай Николаевич

Белич Сергей Сергеевич

Пахомов Илья Викторович

Даты

2013-02-20Публикация

2012-02-01Подача