ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ 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, мостовых усилителях мощности, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах и т.п.).

Известны схемы классических двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-39].

ДУ данного класса широко применяются в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, драйверов дифференциальных линий связи между СФ-блоками A/d и D/a-классов и т.п. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1)В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 120÷160 ГГц.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте фирмы Mitsubishi US 5.367.371 fig.2, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен с объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и нулевое значение.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен с объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи: в схему введен дополнительный р-n переход 17, включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока 5 и общей шиной 18 первого 7 и второго 10 источников питания, причем первый 14 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через второй 20 резистор обратной связи.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, а на фиг.3 - в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 показано включение заявляемого устройства в качестве выходного функционального узла в структуре широкополосного усилителя, содержащего входной нелинейный преобразователь 27 на основе р-n переходов 29, 30, выходы которого подключены ко входам 3, 4 ДУ фиг.2.

На фиг.5 показана схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению схемы фиг.5.

Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания. В схему введен дополнительный р-n переход 17, включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока 5 и общей шиной 18 первого 7 и второго 10 источников питания, причем первый 14 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через второй 20 резистор обратной связи.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 14 вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока 5 через последовательно соединенные первый 21 дополнительный буферный усилитель и первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока 5 через последовательно соединенные второй 22 дополнительный буферный усилитель и второй 20 резистор обратной связи.

На фиг.4 первый 8 и второй 11 выходные транзисторы реализованы в виде составных активных элементов, содержащих соответственно биполярные транзисторы 23, 25 и вспомогательные р-n переходы 24, 26. Входной каскад 27 широкополосного усилителя (фиг.4) содержит цепь смещения потенциалов 28, р-n переходы 29, 30, входные транзисторы 31, 32, резистор местной обратной связи 33 и вспомогательные источники тока 34, 35.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2).

Статический режим по току транзисторов 1, 2 и 8, 11 предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 6, 13 и 15:

,

,

,

где I_c1, I_c2 - токи стока (коллектора) транзисторов 1 и 2,

I₁₇=I₀, I₁₃, I₁₅, I₆ - токи двухполюсников 17, 13, 15, 6.

В соответствии со вторым законом Киргофа статические напряжения на выходах 14 и 16 ДУ:

где U_эб.17=U_эб.5 - напряжения «эмиттер-база» транзистора 5 и р-n перехода 17;

I_б - ток базы транзистора 5.

С учетом типовых численных значений I_б и R₁₉=R₂₀ практических схем ДУ из уравнения (2) можно сделать вывод о том, что в заявляемом ДУ статические выходные напряжения U₁₄=U₁₆ близки к единицам милливольт.

Дальнейшее уменьшение U₁₄=U₁₆ возможно за счет рационального выбора сопротивлений резисторов 19 и 20.

В зависимости от количества р-n переходов 17 в ДУ (фиг.2) можно установить и другие заданные величины статического выходного синфазного напряжения.

Таким образом, заявляемый дифференциальный операционный усилитель имеет малый нулевой уровень выходного синфазного напряжения. Это весьма существенно для его согласования с последующими функциональными узлами различных систем на кристалле, а также для получения более широкого диапазона изменения выходных противофазных напряжений.

Библиографический список

1. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.

2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.

3. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz", IEEE BCTM, pp.1-8, Oct.2006.

4. Патент США №5.684.419

5. Патентная заявка WO 2009/042474, fig.5

6. Патентная заявка WO 96/21271

7. Патентная заявка США 2010/0019946, fig.3

8. Патент США №6.693.489

9. Патентная заявка WO 2005/074136, fig.1

10. Патентная заявка США 2006/0038616, fig.1

11. Патентная заявка США 2010/0102884, fig.2

12. Патент США №6.285.245, fig.1

13. Патент США №4.517.524

14. Патент США №4.276.485, fig.1

15. Патентная заявка США 2005/0088232

16. Патент Франции №2409640, fig.1

17. Патентная заявка США 2005/0110571, fig.7

18. Патентная заявка США 2009/108882, fig.3

19. Патентная заявка США №2009/0221259, fig.13

20. Патентная заявка США №2005/0200414

21. Патент США №4.680.553, fig.13

22. Патентная заявка США №2004/0046592, fig.2

23. Патент JP №54079553, fig.1

24. Патент GB №2008883, fig.1

25. Патент США №6.462.618

26. Патент США №3.541.464

27. Патентная заявка WO 2004/102789

28. Патент США №5.389.893

29. Патент Японии JP 53-142849

30. А.св. СССР 1102019

31. Патентная заявка WO 2005/077525

32. Патентная заявка США №2006/0181348

33. Патент Англии GB 2419052

34. Патентная заявка США №2008/0290941

35. Патент Японии JP 55030218

36. Патент Англии GB 1350352

37. Патент Японии JP 54-47467

38. Патент Японии JP 55099810

39. Патент ФРГ DE 2821942

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение стабильности выходного статического синфазного напряжения дифференциального усилителя. В усилителе в схему введен дополнительный р-n переход (17), включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока (5) и общей шиной (18) первого (7) и второго (10) источников питания, причем первый (14) вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока (5) через первый (19) резистор обратной связи, а второй (16) вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока (5) через второй (20) резистор обратной связи. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами (3) и (4) устройства, транзистор источника опорного тока (5), коллектор которого соединен с объединенными истоками (эмиттерами) первого (1) и второго (2) входных транзисторов, а эмиттер через первый (6) токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым (7) источником питания, первый (8) выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого (1) входного транзистора и через первый (9) двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым (10) источником питания, второй (11) выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго (2) входного транзистора и через второй (12) двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым (10) источником питания и объединенными коллекторами первого (8) и второго (11) выходных транзисторов, второй (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (8) выходного транзистора, соединенным с первым (14) вспомогательным выходом устройства, и первым (7) источником питания, третий (15) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (11) выходного транзистора, соединенным со вторым (16) вспомогательным выходом устройства и первым (7) источником питания, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный р-n переход (17), включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока (5) и общей шиной (18) первого (7) и второго (10) источников питания, причем первый (14) вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока (5) через первый (19) резистор обратной связи, а второй (16) вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока (5) через второй (20) резистор обратной связи.

2. Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом по п.1, отличающийся тем, что первый (14) вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока (5) через последовательно соединенные первый (21) дополнительный буферный усилитель и первый (19) резистор обратной связи, а второй (16) вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока (5) через последовательно соединенные второй (22) дополнительный буферный усилитель и второй (20) резистор обратной связи.