ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2013 года по МПК 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе классического входного каскада с местной отрицательной обратной связью и дифференциальным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-22].

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 гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п. [23-24].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 7.795.974, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени (τ₁, τ₂) в высокоимпедансных коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов:

где r₁₁, r₁₄ - эквивалентные проводимости в коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов;

C₂₀, C₂₁ - эквивалентные емкости, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 1, 11 и 14, 2. Если С₂₀=С₂₁≤0,5 пФ, а r₁₁≈r₁₄≈10⁶ Ом, то τ₂=τ₁=5·10^-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте

устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается повышение верхней граничной частоты f_В ДУ (по уровню - 3дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 показано заявляемое устройство.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления (Ky) ДУ фиг.3 при различных значениях емкостей конденсаторов C1=C2=Cvar, соответствующих элементов 22 и 23 в схеме фиг.2.

На фиг.5 показана зависимость выходных напряжений ДУ фиг.3 при входном сигнале in1=100 мкВ на частоте 1МГц и значениях С1=С2=1 пФ.

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 с входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

Управляемый источник тока 4 реализован в схеме фиг.2 на базе транзисторов 24, 25 и резисторов 26, 27.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается цепью отрицательной обратной связи и токостабилизирующими двухполюсниками 11 и 14. Причем коллекторные (I_кi) токи транзисторов схемы:

I_K24=I_K25≈I₀,

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

Статические напряжения на выходах ДУ 17 и 18 при нулевом входном сигнале (u_вх=0) близко к нулю, что обеспечивается вспомогательным усилителем напряжения 9:

В заявляемом ДУ за счет введения корректирующих конденсаторов 22 и 23 почти на порядок расширяется диапазон рабочих частот (фиг.4) - верхняя граничная частота f_В увеличивается от 1,1 мГц до 8,5 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией паразитной емкости на подложку С₂₀ (С₂₁) емкостью корректирующего конденсатора 23 (22). При этом, эффективные емкости С_20.эф, С_21.эф при R₂>>r_э1=r_э2 уменьшаются до величины:

где α₁≈α₂≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 1 и 2 при токах эмиттера (1÷0,25) мА;

r_э1=r_э2=25÷100 Ом - сопротивления эмиттера переходов транзисторов 1 и 2.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 1 и 2) уменьшаются, что повышает почти на порядок верхнюю граничную частоту f_В ДУ (фиг.4).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.3 показывают (фиг.4), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.2) могут быть построены широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.666.888

2. Патент США №5.767.741

3. Патентная заявка 20020053935

4. Патент США №5.550.512

5. Патент США 5.256.984

6. Патент США №4.439.696

7. А.св. СССР 600545

8. Патент США 5.389.893

9. Патент США 5.914.639

10. Патент США 5.521.544

11. Патент США №4.721.920

12. Патентная заявка 20040251965 A1

13. Патент США №5.065.112

14. Патент США №5.521.544

15. Патент США №4.288.707

16. Патент США №5.774.020

17. Патент США №4.498.053

18. Патент США №5.610.547, фиг.19

19. Патент США №6.369.618, фиг.2

20. Патент США №6.111.463, фиг.1

21. Патент США №5.610.547

22. Патент США 4.385.364

23. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.

24. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей \ Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.Scheytt \\ Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот за счет обеспечения повышения верхней граничной частоты. Усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, резистор местной обратной связи (3), управляемый источник тока (4), первую (5) шину источника питания, первый (6) токовый выход, второй (7) токовый выход, управляющий вход (8), выход вспомогательного усилителя напряжения (9), первый (10) буферный усилитель, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, вторую (12) шину источника питания, второй (13) буферный усилитель, второй (14) токостабилизирующий двухполюсник, первый (15) и второй (16) вспомогательные резисторы, первый (17) и второй (18) выходы устройства, их общий узел (19), первую (20) и вторую (21) паразитные емкости. В усилителе первый (17) выход устройства связан с эмиттером второго (2) входного транзистора через первый (22) корректирующий конденсатор, а второй (18) выход устройства связан с эмиттером первого (1) входного транзистора через второй (23) корректирующий конденсатор. 5 ил.

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи (3), управляемый источник тока (4), общая эмиттерная цепь которого соединена с первой (5) шиной источника питания, первый (6) токовый выход соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, второй (7) токовый выход соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора, а управляющий вход (8) подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения (9), первый (10) буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора и через первый (11) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (12) шиной источника питания, второй (13) буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго (2) входного транзистора и через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (12) шиной источника питания, первый (15) и второй (16) последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым (17) и вторым (18) выходами устройства, общий узел которых (19) связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения (9), первая (20) и вторая (21) паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого (1) и второго (2) входных транзисторов, отличающийся тем, что первый (17) выход устройства связан с эмиттером второго (2) входного транзистора через первый (22) корректирующий конденсатор, а второй (18) выход устройства связан с эмиттером первого (1) входного транзистора через второй (23) корректирующий конденсатор.