Дифференциальный усилитель (его варианты) Советский патент 1983 года по МПК H03F3/45 

а база пятого транзистора соединена с базой и коппектором четвертого транзистора и через второй источник постоянного тока с отрицатецьной шиной источники питания, при этом третий, четвер.) пятый и шестой транзисторы имеют рчл -р-тип проводимости, отличающийся тем, что, с пепью увепичения пинейности характеристики коэффициента передачи дифференциапьного усилителя, в него введеньг седьмой, Bocuvioft, девятый и десятый транзисторы и пятый и шестой резисторы, причем эмиттеры седьмого и восьмого транзисторов через соответст- ьующие пятый и шестой резисторы под-

-340

10

кпгочены к эмиттерам третьего и пятого транзисторов, база седьмого тран.зистора соединена с коппектором восьмого тра зистора и амитте юм десято1Х) транзистора, база и копгвектор которого объедин ны и подключены к эмиттеру второго Т1)анзистора и -р-и -типа проводимости, а база восьмого транзистора соединена с коппектором седьмого транзистора и эмиттером девятого транзистора, база и коллектор которого объединены и под- кточены к эмиттеру первого транзистора 1 -р- и -типа проводимости, при этом седьмой,восьмой,девятый «десятый траняигторы имеют yi -р-и -тип проводимости,

1. Дифференциальный усилитель, содержащий первый и второй транзисторы И -р-И -типа проводимости, базы которых являются входами дифференциального усилителя, коллекторы соответственно через первый и второй резисторы соединены с положительной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шео,той транзисторы, при этом эмиттеры третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов попарно объединены, коллекторы третьего и пятого транзисторов через соответствующие третий и четвертый резисторы соединены с отрицательной шиной источника питания, причем база третьего транзистора соединена с базой И коллектором шестого транзистора и через первый источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питания, а база пятого транзистора соединена с базой и коллектором четвертого транзистора и через второй источник постоянного тока с отрицательной шиной источника п таюая, при этом третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы имеют p-v -р-тип проводимости, отличающийся тем, что, с целью увеличения пинейности характеристики коэффициента передачи : дифференииапьного уснпигепя, в него введены седьмой, восьмой, аевят.й и десятый траизисторьт и пятый и шестой резисторы, npTTMOhi эмитгерьг седьмого и . восьмого транзисторов через соответствующие пятый и шесто1( резисторы под- кпюче№г к эмиттерам первого и второтхэ транзисторов и -р- и-типа пpoвoди ocти, база седьмого транзистора соединена с -коппектором восьмого граноистора vi эмпттером десятого транзистора, база и коллектор которого объединены t подключены к эмиттеру пятого трагоистора, а база BocuvToro транзистора соединена с колпек- тором седьмого транзистора и эмиттером te девятого транзистора, база и коллектор (Л которого объединены и подключены к эмиттеру третьего транзистора, при этом седьмой, восьмой, девятый и десятый тpaнзvIcтopы имеют проводимости. 2. Дифференциальный усипитель, содержащий первый к второй транзисторы И -р-И-типа проводимости, баз)/ которых являются входами дифференциапьного уси4:: ai лителя, коллекторы соответственно через первый и второй резисторы соединены СО 4 СО с положительной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этом эмиттеры третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов попарно объединены, коппек- торы третьего и пятого транзисторов через соответствующие третий и четве{ тый резисторы соединены с отрицательной шиной источника питания, причем база третьего транзистора соединена с базой и коллектором шестого транзистора и через первый источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питания.

1

Изобретение относится к усилителям на эпектроншлх и полупроводниковых приборах, в частности к диф(теренциальным усипигепям, и прецназначенэ дпя: использования в радиотехн1«еских и электронных устройствах раапичного назначения,, в частности в интегральных схемах one- рашюнных и широкополосных уснпителей, балансных модуляторов, перемножителей, с высокой линейностью и малой потребпяемой мощностью, усилителях мощности звуковых частот с малыми переходными интермодуляционными (динамическими) искажениями, экономичных и высокол нейныхопреобразователях напряжение-ток, напряжение-свет и других устройствах с повышенными требованиями по пинейности при жестких ограничениях на потребляемую мощность.

Известен дифференциальный усгилитель, содержащий первый и второй тракзисторы и -р-и-типа проводимости, базы которых являются входами дифференциального ус№пителя, коллекторы соответственно через первый и второй резисторы с ед1гаены с положительной шиной источника питания, а также третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы, при этсм эмиттеры : третьего и четвертого, пятого и шестого транзисторов попарно объединены, коппекторы третьего и, пятого транзисторов через соответствующие третий и четвертый резисторы соединены с отршштельной шиной источника питания, причем база третьего транзистора соединена с базой и коллектором шестого трагоистора и через первый источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питания, а также база пятого транзистора соединена с базой и коллектором четвертого транзистора и через второй источник постоянного тока с отрицательной шиной источника питания, при этом третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы имеют р-И-р-тип проводимости С 1J.

При увеличении входного напряжения в данном дифференциальном усилителе дифференциальный выходной ток возрастает в соответствии со следующим выражением

:01 t;,

(1) о 14

вЫХ

Sb(x Jivtcj) дифференциальный выходной ток дифференциального усилителя;

U Х - входное напряжение; IQ - величина постоянного тока задаваемого каждым из источников постоянного тока;

j - тепловой потенциал, Указанный усилитель проявляет значительную нелинейность передаточной характеристики во всем динамическом диапазоне изменения выходных дифференциальных токов, создавая нелинейные искажения полезного сигнала, особенно большие при многократном превышении выходным ди4 ференциальным током тока покоя усилителя Так, приивх 4 V (100 мВ при комнатной температуре) линейный закон предписывает дифференциальному . 3I уснпитепю выцавать r.fixoaiiofl ai 4l-t(цшпьдай TOKi,,,, д ,,,, равный .- ,-, 1 ( ЙЫХ Д,Ф АшГ 0 f {так какзЬУ -v ), г, е, ток покоя iL3 iCM:f него усипитепя. Однако в соответсгвнн с выражением (1) он выдает в этом случае спедующнй выхоаной дифференциальный ток Чыхдиф- с .е(41о) что на 80% отклоняется от линейного закона. Есгш Е4.1хоаной ди4уЬеренпиальный ток дифференциапьного усилителя многократно превышает его ток покоя, то искажения оцениваются сотнями и тясячами процентов (к тому же, как видно из выражения (1), передаточная характеристик усилителя зависит от температурь;). Цепь изобретения - увепичение пинейности характеристики коэффициента передачи дифференциального усилителя во всем динамическом диапазоне изменения выходных дифференциальных токов, ь том чиспе при многократ1юм превышении последними токов покоя дифференциапьного усилителя. Поставле ;ная- цель по первому варианту достигается тем, что в дифференциап ный усилитель введены седьмой, восьмой девятый и десятый транзисторы и пятый и шестой резисторы, причем эмиттеры седьмого и восьмого транзисторов через соответствующие пятый и шестой резисто ры подключены к эмиттерам первого и второго транзисторов И-р-И-типа проводимости, база седьмого транзистора соединена с коллектором восьмого транзисто ра и эмиттером десятого транзистора, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру пятого транзистора, а база восьмого транзистора соединена с коллектором седьмого транзистора и эмиттером девятого транзистора, база и коллектор которого объединены и подключены к эмиттеру третьего транзистора, при этом седьмой, восьмой, девятый и десятый транзисторы имеют рн-и -р-тип проводимосги. Поставленная цепь по второму варианту достигается тем, что в дифференциальный усилитель введены седьмой, восьг мой, девятый и десятый транзисторы и цятый и шестой резисторы, причем эмит- геры седьмого и восьмого транзисторов через схэответствутощие пятый и шестой эезисторы подключены к эмиттерам третьего и пятого транзисторов, база -; I i ;uAi ro 1 liiM.iHf.ropa соецинена с колюкторюм гчм i.Miirri трпизистора и миттором ) транзистора, база и кол- fKKir.p K ;TOfv)Tv: oia.r-anHeiff-i и Подключе к -Миттру второготртвзистора и -р- И -rmifa проводим ти, а база вось1Тп ipamiicTopn соеппнена с коллектоуюм c :U:Moiv:i трПгзиг тори и a литтepoм петля юго трапзигтора, база и коллектор которэгчт ()Пъеди1(мп-1 и попкпючоны к 7)миттеру первого транзистора и -р-и -типа проводимостч, прп этом седьмой, посьмии, . iT десятый транзисторы iD-еюг -THTI п;1ОРОД1с гости, На фт 1 процставлена принципиальная гмюктричогка: fxeNia пгуэдпагаемого диффереч1 иаг1Ы ого ус-ипитетя по перпому варианту; на фит. 2 - то же, по вто(юму вариа нту, Диг}ферен1и апьш--1й ycnnuTe.ib (первый и второй варианты) содержит с первого по десятый тра С1Исторы 1-10, пер1млй и второй исгочшжи 1. и 12 гостояииого 1ока, первый, второй, rporuii, четиортый, пят1з1й н шестой р.езисгор. 13-18, а также источник 1 О входного папугажония. Диф |ерен шапьнЫ11 yc/uimc-is по первому uapitaury (ф1гг, 1) работает спецукпшсчг образом. При oTcyicTLMiii вхоаш.ях) сигнала в диф(1нэроицпальнок ч-сичигспе протекают спедующие .Ш-е ток г-: каждый из источншсов 11 и 12 пос; ояииото тока . задает постояинь и ток ;, , в транзисторах 3-6 и резисторах 17 и 18 - ток „ D кажцокг, в транзисторах 1 и 2 и 7-10, резисторах 13-10 - ток каждом. Входной с:игнаи от иг:том1И1ка 19 входного напряжения подается между базами первого и второго транзисторов 1 и 2, вызывая протекан1 е в усилитепо таких токов, что разность токов, текущих через коппекторы nepijoro и втоухлх транзистоPOD 1 и 2 (3 к DI ,2 соответственно), лияайно зависит от входного напряжения и Р)у (в приближении бесконечно малых токов баз транзисторов) в соответствии со следующим выражением i где R - сопротивление каждого из идентичных пятого и шестого резисторов 13 и 14, т.е. усилитель работает как пиЕгейный дифференциальный усилитель-преобразователь проводимости с крутизной, определяемой только эмиттерными резисторами, причем линейность усиления сохраняется также в диапазоне выходных дифферонциапьных токов, многократно ггревыша- клцих режимный ток усипитепя. Два равны эмиттерных резистора 13 и 14 не явгсяI ются пйнеаризируклцими, а спужат itmub дпя фиксации заданной величины крутизны уснпитепя. Дифференниапьный усипигепь . принцтгиально опноканальнук струк туру, Ниже спедует доказатепьство выражешта (4). Будем пользоваться спецующей модель бипопярного транзистора, работаrotaeix в активной области (которая справедпива в диапазоне 4-5 порядков изменения коллекторного тока дпя типичного интегргшьного транзистора) I т е. Э )i l. э S -ток коппектора транзистора; -ток эмиттера транзистора; - коэффициент усиления тока базы транзистора; -обратный ток насыщения эмиттерного перехода; 1юпряжение на участке б|аза - эмиттер транзистора; -тегшйвой потенциап. Дапее уравнение (в) используется в сг1едуюи1ем виде . и 1а..еу,А. (7) оЭ 1ц Ir Как И в известном дифференциальном усилителе, подсхема, содержащая третий, четвертый, пятый и шестой транзисторы З-б и первый и второй источники 11 и 12 постоянного тока, обеспечивает способность устройства выдавать дифферении агц,а1й выходной ток, многократно превышающий режимный. Уравнение Кирхгофа для контура, содержащего эмиттерные переЧо третьего), четвертого, гютого в шестого травзисторов 3-6 соответственно при условии, что 8ТИ транзисторы хорошо согласованы между сюбой, т.е. обратные токи насыщения их эмиггерных переходов равны между собой и равны „ , дает Tevnff-- -r««Tf T Hr-- spi где индексы у г) э собтветствуют вомеру транзистора нафйг. 1. Сокращение в шлражвшт (8) HY выполнение споженвя приводит к UA 9S - - 0. U055 или проще ЧзЧз-э Чс- . Токи в четвертый и шестой транзисторы 4 и 6 задаются двумя идентичными источниками 11 и 12, постоянного тока, каждый из которых выдает ток f, , т.е. j34-4fc lo . Тогда (Ю) можно записать как Uгlэ (11) (Ни Jg , ни j,, не ограничены величиной режимного тока, любой из них может многократно превышать как ток , так и режимный ток 4 о ) Запишем уравнение Кирхгофа для контура, содержащего соответственно источник 19 входного напряжения 0,, , эмит- терный переход первого транзистора 1, резистор 13, эмиттерные переходы транзисторов 7, 10, 6, 3, 9 и 8, резистор 14 и эмиттерный переход второго транзистора 2, если 9р обратный ток насыщения эмиттерных перекодов третьего 8шестого транзисторов 3 и 6; Ра обратный ток насыщения эмиттерных переходов девятого и десятого транзисторов в диодном включении; , обратный ток насыщения эмиттерных переходов седьмого и восьмого транзисторов; --sfl обратный ток -насыщения эмиттерных переходов впервого и второго травзисторов 1 и 2; R - сопротивление каждого из резисторов 13 и 14 -rE« 1г:1э,ЬЧ,1и Jai Е, 1 ||5ра Ttn Е, -, li8- toi пл I Icoo -baR- f,,(l,,-UaM-reJf if эа 9, Учитывая, что по законам Кирхгофа и при принятых допущениях (5) и (6) справедливо Ur-47 -,.--U. -П 0. э о, Выражение (12) можно записать в виде )1о вх(9гЧг еч )1эъ Но так как согласно (11) то вто{Х)е спагпекпхз в (1G) равно .)1о()о с, еи - - : -о-(1„ Т1„Но,(1г; - теи1-о . и из (16) следует, что Ug -RUg H Далее 3 з - .Ig соответствии с (5) КГ кг что совпадает с (4). Доказатепьство выражения (4) завершено. Так как коппекторные токи третьего и пятого транзисторов 3 и 5 отпичаются от коллекторных токов соответственно первого и второго транзисторов 1 и 2 на величину постоянного тока Of, каждый, то разность между ними также равна F и g,y и поэтому коллекторы третьего ипятого транзисторов 3 и 5 спужат вторым дифференциальным выходом усилитепя, т.е. I B R JeXКак показывает анализ, коллекторы первого и пятого транзисторов 1 и 5, а также второго Итретьего транзисторов 2 и 3 могут служить третьим и четвертым дифференциальными выходами дифференциального усилителя, однако на таких выходах имеется смещение по постоянств тока равное о Поскольку уравнения (4) - (21) верны в диапазоне токов, как меньших режимного, так и много больших режимного то усилитепь имеет значительно уваггачей ную линейность в диапазоне выходных . дифференциальных токов, многократно пре вышающих ток покоя. Достижение линейности передаточной характеристики в диапазоне выходных дифференциальных токов в том числе и многократно превышающих режимный, получено в дифференциальном усипителе не путем линеаризации известного усилителя эмиттерными резисторами (что ухуашипо бы его усилительные и шумовые свойства, так как усилитель работает при малых режимных токах и собственная крутизна составляющих транзисторов слишком мала), а путем включения в схему известного усипитепл конфигурации, содержащей транзисторы 7-10 (совместно с резисторами 13 и 14). Дифференциальный усилитель по второ му варианту (фиг. 2) работает аналогично первому. Режимные токи во втором варианте такие же, как и в первом вари1098 акте. Уравнение (11) так же справедливо дпя второго варианта, YpaBHeHvie для Ugy , аналогичное уравнению (12), полу чается спедукхшл образом. Зап1пием уравнение Кирхгофа для контура, содержащего соответственно источник 19 входного напряжения Uex , эмиттерные переходы первого, девятого и восьмого транзисторов 1, 9 и 8, шестой резистор 14, эмиттерные переходы шеогого и третьего транзисторов 6 и 3, пятый резистор 13 и эмиттерные переходы седьмого, десятого и второго транзисторов 7, 10 и 2, еспи - обратный ток насыщения эмиттерных переходов третьего и шестого транзисторов 3 и 6; Ос - обратш гй ток насыщения эмкттерных переходов девятого и десятого транзисторов 9 и 10; Qn/i обратный ток насыщения эмиттерных переходов и восьмого транзисторов 7 и 8; Dq обрат№1й ток насыщения эмиттерных переходов первого и второго транзисторов 1 и 2; R - сопротивление каждого из резисторов 13 и 14; . с. Й; (22) I Р- svia l-SH-i .)Ttv,fif bibibioUa Учитывая, что по законам Кирхгофа и при принятых допущениях (5) и (6) пправедпиво 5197 Э9 , Ч8- 510аSfe-o-(25) выражение (22) можно записать в виде (26) вх-Н1,,-,„н,е„ 5, , Второе слагаемое в (26) совпадает с вторым слагаемым в (16) ч, как показывают (17) и (18), равно нулю. Ссюбражейия, аналогичные приведенным для первого варианта, дают -I - - -II Ki Кг- R.UBX 4,- K6--- RUftV Коллекторы первого и пятого транзисторов 1 и 5,а также второго и третьего тра зисторов 2 и 3, как и в первом варианте, могут служить третьим и четрертым

о 10

диф(хэре1па1пи1;шлми выходакги диффGfюнцняпьнотх) усипетепя, 1акио выходы также n teiOT гмещепие по постоянному току равное. -V, .

Таким образом, второй вариант ггрецпагаемого дифференпиапьного усипитепя также работает как пиней гый дифференциальный усилитегть-преобразовагепь проводимости с крутизной равной/R , причем линейность усушения сохра шется также в диапазоне выходных диффере1Ш№ппьных ГОКОВ, мно1 ократно превьплаклцих режтолный ток усипитепя. Пятый и шестой резисторы 13 и 14 также н явпяются пинеаризируютдими, а riHUib фнксируют кряизну усиления. Второй вариант такжп имеет принципиально oдн(Jкaнaпьиул сч-|)уктуру.

( варианта предлагаемого диффере ниппьного ус:игштег1Я решают одну и ту же задачу - линеаризацию усилителя во всем д1шамическом диапазоне изменения выходю.х ди41ференциальных токов принtiHntfflni.HO однуш путем - соответсгвуюТЦИМ включением конфигурации из четыре седьмого, восьмого, девятого и десятого согпасовашоых транзисторов идвух corn асованньгх резисторов (фиг. 1 И 2).

Однако первый вариант (фиг. 1) peaпизован в основном на транзисторах одного типа проводимости (лишь транзис торы 1 и 2 противоположного типа проводимости). Кроме того, диапазон рабочих входных напряжений во втором варианте (фиг. 2) ограничен несколькими десятыми вопьта вследствие возможност возникновения насыщения транзисторов 7 и 8. В первом вар1шнте такого ограничения по входному напряжению нет.

91 (1

Друтх-хэ ornifitro i. iTi /uufij ч.иипоныюг э усигнгепя счхпиит п, roi-i, что, так как п правых часпях. viinniiiiiuii ( 2() н (21) II уравтгений (27) и (2«) рпанно знаки, то одииоко11Ый входноЯ снгнап tвертируется одншч вариантом и усипивае ся без инверсии к другокт при гфочих равных усповиях.

Пр1шедеииые выражения (4)-(28), испопьзуюшие , п;)е1 еб егаь: 1Щ1й токами баз транзисторов, шжазывают, что предлагаемые вариатчл диффереядиагЕьного усилителя 1гмеют не ограниченную ничем пинейную характеристику усипе ния, в том чиспе и в диапазоне БЫХ.ОДНЫК дифференциальных токов, многократно превышающих режимный ток усипитепя (наклон которой, к тому же, не зависит от температуры). Однако пинейность предлагаемых вариантов дифференциального усилителя нарушается эффектами второго порядка - конечными токами без тpa iзиcторов, а также рассогпасованием транзисторов и тепловыми градиентами. Эффекгь вто1х гю порядка приводят к тому, что диапазон линейной работы предлагаемых усилителей при малом уровне непинейных искажений (порядка нескольких процентов) на практике ограничен выходными дифференциальными токами, на один-два порядка превышающими режимш й ток усипителя,

Предлагаемые варианты дис ференциапьного усилителя существенно отличаются от известных, так как при выходных дифференциальных токах, бопее чем на порядок превышающих режимный ток усилителя, нелинейные искажения в усилителе оста- ются небольшими. Увеличение линейности дифференциального усилители значительно расширяет область его применения.

фиг. f