Каскодный дифференциальный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях с повышенными значениями коэффициента усиления по напряжению (ОУ)). Каскодный дифференциальный усилитель (КДУ) содержит транзисторы (Т) (1, 2), базы которых объединены и подключены к источнику напряжения смещения (3), а эмиттеры соединены с токовыми входами КДУ (4, 5) и через токостабилизирующие двухполюсники (6 и 7) связаны с шиной первого источника питания (ИП) (8), Т (9 и 10), тип проводимости которых противоположен типу проводимости Т (1 и 2), базы которых объединены, а эмиттеры связаны с шиной второго ИП (11), причем коллектор Т (9) соединен с первым выходом (12) КДУ) и коллектором Т (2), а коллектор Т (1) связан с базами Т (9) и (10). В схему введен дополнительный Т (13), коллектор которого соединен с эмиттером (28) Т (1), эмиттер соединен с коллектором Т (10), причем коллекторы Т (2) и (9) связаны с базой дополнительного Т (13). 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях с повышенными значениями коэффициента усиления по напряжению (ОУ)).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах [1-36], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УДЗ и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 200 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте США №5734296, содержащий первый 1 и второй 2 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику напряжения смещения 3, а эмиттеры соединены с токовыми входами КДУ 4, 5 и через токостабилизирующие двухполюсники 6 и 7 связаны с шиной первого источника питания 8, третий 9 и четвертый 10 выходные транзисторы, тип проводимости которых противоположен типу проводимости первого 1 и второго 2 выходных транзисторов, базы которых объединены, а эмиттеры связаны с шиной второго источника питания 11, причем коллектор третьего выходного транзистора 9 соединен с первым выходом 12 КДУ и коллектором второго 2 выходного транзистора, а коллектор первого выходного транзистора 1 связан с базами третьего 9 и четвертого 10 выходных транзисторов.

Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет недостаточно высокий коэффициент усиления по напряжению на постоянном токе (в диапазоне низких частот, К_y.max=800÷1000), что отрицательно сказывается на динамических параметрах различных аналоговых устройств на его основе, требует в большинстве случаев дополнительных каскадов усиления.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению каскодного ДУ в диапазоне низких частот.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику напряжения смещения 3, а эмиттеры соединены с токовыми входами каскодного дифференциального усилителя 4, 5 и через токостабилизирующие двухполюсники 6 и 7 связаны с шиной первого источника питания 8, третий 9 и четвертый 10 выходные транзисторы, тип проводимости которых противоположен типу проводимости первого 1 и второго 2 выходных транзисторов, базы которых объединены, а эмиттеры связаны с шиной второго источника питания 11, причем коллектор третьего выходного транзистора 9 соединен с первым выходом 12 каскодного дифференциального усилителя и коллектором второго 2 выходного транзистора, а коллектор первого выходного транзистора 1 связан с базами третьего 9 и четвертого 10 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - введен дополнительный транзистор 13, коллектор которого соединен с эмиттером первого 1 выходного транзистора, эмиттер соединен с коллектором четвертого выходного транзистора 10, причем коллекторы второго 2 и третьего 9 выходных транзисторов связаны с базой дополнительного транзистора 13.

Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения. На чертеже фиг.3 показана схема типового операционного усилителя с заявляемым КДУ фиг.2 в качестве промежуточного каскада, которая используется авторами для расчета его параметров.

На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 и п.3 формулы изобретения, а на чертеже фиг.5 - конкретная реализация вспомогательного повторителя напряжения 14.

На чертеже фиг.6 изображена схема каскодного ДУ в соответствии с п.6 и п.7 формулы изобретения.

На чертежах фиг.7 и 8 показаны схемы известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice, а на чертеже фиг.9 - амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению этих устройств.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику напряжения смещения 3, а эмиттеры соединены с токовыми входами каскодного дифференциального усилителя 4, 5 и через токостабилизирующие двухполюсники 6 и 7 связаны с шиной первого источника питания 8, третий 9 и четвертый 10 выходные транзисторы, тип проводимости которых противоположен типу проводимости первого 1 и второго 2 выходных транзисторов, базы которых объединены, а эмиттеры связаны с шиной второго источника питания 11, причем коллектор третьего выходного транзистора 9 соединен с первым выходом 12 каскодного дифференциального усилителя и коллектором второго 2 выходного транзистора, а коллектор первого выходного транзистора 1 связан с базами третьего 9 и четвертого 10 выходных транзисторов. В схему введен дополнительный транзистор 13, коллектор которого соединен с эмиттером первого 1 выходного транзистора, эмиттер соединен с коллектором четвертого выходного транзистора 10, причем коллекторы второго 2 и третьего 9 выходных транзисторов связаны с базой дополнительного транзистора 13.

На чертеже фиг.3 показана схема операционного усилителя на базе заявляемого устройства, к которому подключены выходы некоторого входного дифференциального каскада ДК1 (преобразователя «напряжение-ток»), осуществляющего преобразование входного напряжения u_вх в приращение токов i_вх.5, i_вх.4, которые затем поступают на входы 4 и 5 КДУ.

В каскодном дифференциальном усилителе фиг.4 коллекторы второго 2 и третьего 9 выходных транзисторов связаны с базами дополнительного транзистора 13 через вспомогательный повторитель напряжения 14.

В каскодном усилителе фиг.4 и фиг.5 выход 15 вспомогательного повторителя напряжения 14 используется в качестве основного выхода КДУ. На чертеже фиг.5 вспомогательный повторитель напряжения 14 выполнен на вспомогательном транзисторе 16 по схеме с общим коллектором и источником тока 17 его эмиттерной цепи, причем тип проводимости вспомогательного транзистора 16 противоположен типу проводимости дополнительного транзистора 13.

В каскодном усилителе фиг.5 - фиг.6 между объединенными базами и объединенными эмиттерами третьего 9 и четвертого 10 выходных транзисторов включен вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник 18, в частном случае - резистор.

В каскодном усилителе фиг.6 коллектор первого выходного транзистора 1 связан с базами третьего 9 и четвертого 10 выходных транзисторов через вспомогательный усилитель тока 19. В частном случае вспомогательный усилитель тока 19 выполнен на дополнительном транзисторе 20, эмиттер которого является входом вспомогательного транзистора 19, коллектор - выходом вспомогательного усилителя тока 19, а база подключена к эмиттеру дополнительного транзистора 13.

Рассмотрим работу заявляемого каскодного дифференциального усилителя на примере анализа схем фиг.2 и фиг.3.

В статическом режиме коллекторные токи транзисторов 13, 10 и 2, 9 практически равны токам двухполюсников 6 и 7. При этом коллекторный ток транзистора 1 в β₁₀ раз меньше коллекторного тока транзистора 13, где β₁₀ - коэффициент усиления по току базы транзистора 10. При введении двухполюсника 18 (фиг.5, фиг.6) численные значения статического тока коллектора транзистора 1 могут устанавливаться на других уровнях за счет соответствующего выбора параметров данного двухполюсника.

Максимальный коэффициент усиления по напряжению, который реализуется в КДУ фиг.3 при бесконечно большом сопротивлении нагрузки R_н определяется произведением

где R_вых - выходное сопротивление КДУ относительно узла 12;

S_ДУ - суммарная крутизна преобразования входного напряжения ДК1 (u_вх) в выходной ток КДУ (i_н). Причем

где S_ДК - крутизна ДК1 (входного преобразователя «напряжение-ток»);

К_i - коэффициент усиления по току со входов 4 и 5 на выход КДУ.

Причем

Изменения входных токов КДУ i_вх.5, i_вх.4 передаются в нагрузку R_н:

Причем

Таким образом, крутизна преобразования входного напряжения u_вх в ток нагрузки КДУ определяется свойствами ДК1, так как коэффициенты передачи токов К_i со входов 4 и 5 в нагрузку близки к единице.

Рассмотрим далее факторы, определяющие выходное сопротивление КДУ фиг.2, полагая, что напряжение в узле 12 изменяется на величину u_вых.

Выходная проводимость у₉ транзистора 9 значительно превышает проводимость коллекторного р-n перехода транзистора 2 из-за эффекта Эрли. Поэтому первая составляющая выходного тока КДУ фиг.2

где U_эрли.9 - напряжение Эрли транзистора 9;

I_к9 - статический ток эмиттера транзистора 9.

Численные значения для современных транзисторов при милиамперных токах лежат в диапазоне 20-50 кОм, что ограничивает К_y.max КДУ-прототипа.

Напряжение u_вых с единичным коэффициентом передается также в коллекторную цепь транзистора 10

Поэтому через выходную проводимость y₁₀ транзистора 10 протекает ток, близкий по величине току i_к9

В связи с очевидными токовыми соотношениями

можно найти, что при β₁₀>>1 в заявляемой схеме

Причем при идентичных транзисторах 10 и 9 и при одинаковых статических режимах

Следовательно ток в нагрузке КДУ i_н и эффективная выходная проводимость КДУ

где - коэффициент идентичности выходных проводимостей транзисторов 10 и 9.

При идентичных транзисторах и идентичных статических режимах K_10.9=1.

Таким образом, максимальное выходное сопротивление заявляемого КДУ и, как следствие (1), его максимальный коэффициент усиления по напряжению при S_ДК=const в Z_i раз превышают аналогичные параметры КДУ-прототипа

Основная цель введения вспомогательного повторителя напряжения 14 (п.2, п.3 формулы изобретения фиг.4, фиг.5) - обеспечение идентичности статических режимов транзисторов 10 и 9 по напряжению коллектор-база, что повышает идентичность их выходных проводимостей y₁₀, y₉ и способствует получению более высоких значений коэффициентов Z_i (15). Кроме этого вспомогательный повторитель напряжения 14 уменьшает влияние сопротивления нагрузки КДУ, которая может подключаться к выходу 15, на эквивалентное сопротивление в узле 12.

Основная цель введения вспомогательного токостабилизирующего двухполюсника 18 (п.7 формулы изобретения) - установление заданной величины статического тока транзистора 1. Это бывает необходимо в том случае, когда коэффициенты усиления по току базы транзисторов 10 и 9 достаточно велики.

Вспомогательный усилитель тока 19, выполненный на дополнительном транзисторе 20, вводится для обеспечения идентичных режимов по напряжению коллектор-база транзисторов 1 и 2, что способствует уменьшению эдс смещения нуля КДУ, создает условия для взаимной компенсации влияния их емкостей коллектор-база. В схеме КДУ фиг.6 созданы условия для синфазного изменения напряжений не только транзисторов 10 и 9, но и транзисторов 1 и 2.

Результаты компьютерного моделирования КДУ фиг.7 (прототип) и фиг.8 (заявляемое устройство), представленные на графиках фиг.9, подтверждают, что заявляемый КДУ имеет более чем на порядок лучшие значения максимального коэффициента усиления по напряжению. Это позволяет реализовать на его основе операционные усилители с К_y.max=70-90 дБ без применения дополнительных каскадов усиления. При этом максимальный диапазон изменения выходного напряжения КДУ не ухудшается, что весьма существенно для схем с низковольтным питанием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.

2. Патент США №6218900, фиг.1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.

4. Патент США №6788143.

5. Патент США №364483 8, фиг.2.

6. Патент США Re 30587.

7. Патент ЕР 1227580.

8. Патент США №6714076.

9. Патент США №5786729.

10. Патент США №5327100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4274061.

13. Патент США №5422600, фиг.2.

14. Патент США №6788143, фиг.2.

15. Патент США №4959622, фиг.1.

16. Патент США №4406990, фиг.4.

17. Патент США №5418491.

18. Патент США №6018268.

19. Патент США №5952882.

20. Патент США №4723111.

21. Патент США №4293824.

22. Патент США №6580325.

23. Патент США №6965266.

24. Патент США №6867643.

25. Патент США №6236270.

26. Патент США №5323121.

27. Патент США №6229394.

28. Патент США №5734296.

29. Патент США №5477190.

30. Патент США №5091701.

31. Патент США №6717474.

32. Патент США №6084475.

33. Патент США №3733559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 A1.

35. Патент США №6300831.

36. Прокопенко Н.Н. Динамика микроэлектронных операционных усилителей на основе «перегнутых» каскодов / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. №6 - С.68-73.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) выходные транзисторы, базы которых объединены и подключены к источнику напряжения смещения (3), а эмиттеры соединены с токовыми входами каскодного дифференциального усилителя (4), (5) и через токостабилизирующие двухполюсники (6) и (7) связаны с шиной первого источника питания (8), третий (9) и четвертый (10) выходные транзисторы, тип проводимости которых противоположен типу проводимости первого (1) и второго (2) выходных транзисторов, базы которых объединены, а эмиттеры связаны с шиной второго источника питания (11), причем коллектор третьего выходного транзистора (9) соединен с первым выходом (12) каскодного дифференциального усилителя и коллектором второго (2) выходного транзистора, а коллектор первого выходного транзистора (1) связан с базами третьего (9) и четвертого (10) выходных транзисторов, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (13), коллектор которого соединен с эмиттером первого (1) выходного транзистора, эмиттер соединен с коллектором четвертого выходного транзистора (10), причем коллекторы второго (2) и третьего (9) выходных транзисторов связаны с базой дополнительного транзистора (13).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллекторы второго (2) и третьего (9) выходных транзисторов связаны с базами дополнительного транзистора (13) через вспомогательный повторитель напряжения (14).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что выход (15) вспомогательного повторителя напряжения (14) используется в качестве основного выхода каскодного дифференциального усилителя.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вспомогательный повторитель напряжения (14) выполнен на вспомогательном транзисторе (16) по схеме с общим коллектором и источником тока (17) его эмиттерной цепи, причем тип проводимости вспомогательного транзистора (16) противоположен типу проводимости дополнительного транзистора (13).

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между объединенными базами и объединенными эмиттерами третьего (9) и четвертого (10) выходных транзисторов включен вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник (18).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллектор первого выходного транзистора (1) связан с базами третьего (9) и четвертого (10) выходных транзисторов через вспомогательный усилитель тока (19).

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что вспомогательный усилитель тока (19) выполнен на дополнительном транзисторе (20), эмиттер которого является входом вспомогательного транзистора (19), коллектор - выходом вспомогательного усилителя тока (19), а база подключена к эмиттеру дополнительного транзистора (13).