Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению

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, операционных усилителях (ОУ)). Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления по напряжению. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с источником опорного тока (ИОТ) (2) в общей эмиттерной цепи, повторитель тока (ПТ) (3), имеющий базовый вход (4), а также эмиттерные входы (5) и (6), которые соединены с токовыми выходами (7) и (8) ДК (1) и через токостабилизирующие резисторы (9) и (10) связаны с шиной (11) источника питания (ИП), первый (12) и второй (13) ИОТ, причем второй ИОТ (13) соединен с выходом (14) ДУ и основным токовым выходом (15) ПТ (3). В схему введен дополнительный транзистор (16), эмиттер которого подключен к первому ИОТ (12), база соединена с выходом (14) ДУ, а коллектор подключен к базовому входу (4) ПТ (3). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

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, операционных усилителях (ОУ)).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n и p-n-p транзисторах, которые стали основой более чем 20 серийных ОУ, выпускаемых как зарубежными (НА 2520, НА 5190, AD 797, AD 8631, AD 8632, ОР 90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ, на их модификации выдано более 100 патентов в различных странах. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Одной из модификаций «перегнутых» каскадных усилителей является схема фиг.1, представленная в публикациях [1-11]. Она используется в ОУ ряда зарубежных фирм (НА 2539, ОР-90, ОР-42), а также в отечественных микросхемах 140УД30.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 5734296, содержащий входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, повторитель тока 3, имеющий базовый вход 4, а также эмиттерные входы 5 и 6, которые соединены с токовыми выходами 7 и 8 входного дифференциального каскада 1 и через токостабилизирующие резисторы 9 и 10 связаны с шиной 11 источника питания, первый 12 и второй 13 источники опорного тока, причем второй источник опорного тока 13 соединен с выходом дифференциального усилителя 14 и основным токовым выходом 15 повторителя тока 3.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий предельный коэффициент усиления по напряжению (К_у), который измеряется при сопротивлении нагрузки .

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении предельного коэффициента усиления по напряжению К_у.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, повторитель тока 3, имеющий базовый вход 4, а также эмиттерные входы 5 и 6, которые соединены с токовыми выходами 7 и 8 входного дифференциального каскада 1 и через токостабилизирующие резисторы 9 и 10 связаны с шиной 11 источника питания, первый 12 и второй 13 источники опорного тока, причем второй источник опорного тока 13 соединен с выходом дифференциального усилителя 14 и основным токовым выходом 15 повторителя тока 3, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор 16, эмиттер которого подключен к первому источнику опорного тока 12, база соединена с выходом дифференциального усилителя 14, а коллектор подключен к базовому входу 4 повторителя тока 3.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на фиг.2.

На фиг.3 показан заявляемый ДУ с другим частным вариантом построения повторителя тока 3.

На фиг.4 представлен ДУ, соответствующий п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 показана схема известного и заявляемого (при условии соединения базы транзистора VT10 с коллектором транзистора VT4) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 представлены результаты компьютерного расчета коэффициента усиления ДУ фиг.5 в диапазоне частот. При этом выходные проводимости источников опорного тока I₅ (12) и I₆ (13) моделировались резисторами R7 и R8.

На фиг.7 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению схемы фиг.4 и ДУ-прототипа от сопротивления резистора R=R25.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, повторитель тока 3, имеющий базовый вход 4, а также эмиттерные входы 5 и 6, которые соединены с токовыми выходами 7 и 8 входного дифференциального каскада 1 и через токостабилизирующие резисторы 9 и 10 связаны с шиной 11 источника питания, первый 12 и второй 13 источники опорного тока, причем второй источник опорного тока 13 соединен с выходом дифференциального усилителя 14 и основным токовым выходом 15 повторителя тока 3. В схему введен дополнительный транзистор 16, эмиттер которого подключен к первому источнику опорного тока 12, база соединена с выходом дифференциального усилителя 14, а коллектор подключен к базовому входу 4 повторителя тока 3.

В частном случае на фиг.2 повторитель тока реализован на транзисторах 17 и 18 в соответствии с п.2 формулы изобретения. В схеме фиг.3 этот же повторитель тока выполнен на транзисторах 19, 20 и 21.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения в схему введен третий вспомогательный транзистор 22 и вспомогательный резистор 25. Причем база вспомогательного транзистора 22 соединена с источником напряжения смещения 23 (в частном случае - с общей шиной), эмиттер связан со вспомогательным источником опорного тока 24 и через вспомогательный резистор 25 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 16.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ.

Коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа фиг.1 существенно зависит от величины эквивалентного сопротивления (проводимости у_э) в цепи нагрузки:

где - крутизна усиления сигнала со входов ДУ в цепь нагрузки в режиме короткого замыкания по выходу.

Проводимость у_э складывается из трех составляющих - выходной проводимости повторителя тока 3 (у₃), выходной проводимости источника опорного тока 13 (у₁₃) и проводимости нагрузки у_н:

При высокоомной нагрузке (R_н=∞) и типовом построении источника опорного тока 13 на транзисторах с малым напряжением Эрли преобладает составляющая у₁₃. Поэтому предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа

В заявляемом устройстве фиг.3 обеспечивается взаимная компенсация в узле 14 двух идентичных проводимостей у₁₂ и у₁₃ источников опорного тока 12 и 13. Действительно, изменение выходного напряжения в узле 14 на величину u_вых порождает в схеме появление токов

где α₁₆≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 16.

Приращение i_к16 поступает на вход 4 повторителя тока 3 и при идентичных сопротивлениях резисторов 9 и 10 (R9, R10) создает приращение тока iпт₃, которое компенсирует приращение i₁₃

где K_{i пт}≈1 - коэффициент передачи по току повторителя тока 3.

В результате в узле 14 суммарное приращение тока уменьшается

Или после преобразований

Таким образом, эффективное значение выходной проводимости источника опорного тока 13

где Т_i=α₁₆К_iпт≈1;

K_Y=у₁₂/у₁₃ - коэффициент асимметрии выходных проводимостей источников опорного тока 12 и 13.

Так как источники опорного тока 12 и 13 выполняются идентичными, то К_Y≈1. Поэтому выигрыш по предельному коэффициенту усиления, который реализуется в заявленной схеме, достигает значений N_K>>1, где

На практике предельные значения К_y.max в схеме фиг.3 ограничивается величиной

где у₃ - выходная проводимость повторителя тока 3.

В схеме фиг.4 предусмотрена дополнительная возможность устанавливать любое заданное значение проводимости у_12.экв в эмиттерной цепи транзистора 16

где у₂₅ - проводимость резистора 25, которая может изменяться.

Поэтому в схеме фиг.5 коэффициент усиления по напряжению

Из уравнения (13) следует, что за счет целенаправленного выбора у₂₅ можно получить существенное увеличение предельного коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.4. Данный вывод подтверждается результатами (фиг.7) компьютерного моделирования схемы фиг.4 - выигрыш по К_у.max достигает 70 дБ (более чем в тысячу раз).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США № 4600893

2. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.243-244.

3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989.

4. Патент США № 6456162.

5. Патент США № 6501333.

6. Патент США № 6542030.

7. Патент США № 4293824.

8. Патент США № 5734296.

9. Патент США № 5420540.

10. Патент США № 5523718

11. Патент США № 4644295.

1. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с источником опорного тока (2) в общей эмиттерной цепи, повторитель тока (3), имеющий базовый вход (4), а также эмиттерные входы (5) и (6), которые соединены с токовыми выходами (7) и (8) входного дифференциального каскада (1) и через токостабилизирующие резисторы (9) и (10) связаны с шиной (11) источника питания, первый (12) и второй (13) источники опорного тока, причем второй источник опорного тока (13) соединен с выходом дифференциального усилителя (14) и основным токовым выходом (15) повторителя тока (3), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (16), эмиттер которого подключен к первому источнику опорного тока (12), база соединена с выходом дифференциального усилителя (14), а коллектор подключен к базовому входу (4) повторителя тока (3).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что повторитель тока (3) содержит первый (17) и второй (18) вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых являются эмиттерными входами (5) и (6) повторителя тока (3), общая точка базы первого (17), базы второго (18) и коллектора первого (17) вспомогательных транзисторов является базовым входом (4) повторителя тока (3), а коллектор второго (18) вспомогательного транзистора соединен с основным выходом (15) повторителя тока (3).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в схему введен третий вспомогательный транзистор (22), база которого соединена с источником напряжения смещения (23), эмиттер связан со вспомогательным источником опорного тока (24) и через вспомогательный резистор (25) соединен с эмиттером дополнительного транзистора (16).