Каскодный дифференциальный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для усиления аналоговых сигналов датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах и т.п.). Технический результат - повышение входного сопротивления. Каскодный дифференциальный усилитель (КДУ) содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы (Т), эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником (3), а коллекторы подключены к эмиттерам первого (4) и второго (5) выходных Т с объединенными базами и базам первого (6) и второго (7) вспомогательных Т с объединенными эмиттерами. В схему введено дополнительное токовое зеркало (8), вход которого связан с базами выходных Т (4) и (5), а выход подключен к объединенным эмиттерам первого (6) и второго (7) вспомогательных Т, причем коллектор первого (6) вспомогательного Т соединен с базой первого (1) входного Т, а коллектор второго (7) вспомогательного Т соединен с базой второго (2) входного Т. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах и т.п.).

Известны схемы каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n транзисторах, у которых эмиттеры выходных транзисторов связаны со входами выходного дифференциального каскада на p-n-p транзисторах [1-5]. В ряде случаев выходной дифференциальный каскад реализуется на таких же n-p-n транзисторах

[6-10].

Существенный недостаток ДУ данного подкласса состоит в том, что он имеет небольшое входное дифференциальное сопротивление (R_BX), зависящее от абсолютных значений коэффициента усиления по току базы (β) применяемых транзисторов и их статического режима. Для повышения в известных ДУ применяется местная отрицательная обратная связь (вводятся эмиттерные резисторы). Однако при этом ухудшаются многие параметры ДУ - коэффициент усиления по напряжению, напряжение смещения нуля, коэффициент подавления помехи по питанию, крутизна усиления ДУ и др.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, представленный в патенте США №5.218.319. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении входного сопротивления R_BX без ухудшения K_y и токопотребления ДУ. В целом это позволяет обеспечить повышение обобщенного показателя качества Q. Дополнительная цель - в уменьшении статических входных токов ДУ.

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 8, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход подключен к объединенным эмиттерам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем коллектор первого 6 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора.

На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.

На фиг.3 представлена схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП ИНН «Пульсар», а на фиг.4 показана схема заявляемого устройства.

Графики на фиг.5 характеризуют температурные зависимости входных токов ДУ (фиг.3) и ДУ (фиг.4) при напряжении Е₁₁=0, из которых следует, что предлагаемое устройство имеет более чем в 40 раз меньший входной ток.

На фиг.6 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого (фиг.4) и известного (фиг.3) дифференциальных усилителей при Е₁₁=0, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы более чем в 20 раз больше, чем у ДУ-прототипа.

На фиг.7 приведены графики температурной зависимости входного тока ДУ-прототипа (фиг.3) и ДУ, соответствующего фиг.4 при Е₁₁=1,5 В.

На фиг.8 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого (фиг.4) и известного (фиг.3) дифференциальных усилителей при E₁₁=var, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы (фиг.4) в 1000 раз больше, чем у ДУ-прототипа, если Е₁₁=1,5 В.

Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами. В схему введено дополнительное токовое зеркало 8, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход подключен к объединенным эмиттерам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем коллектор первого 6 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения вход дополнительного токового зеркала 8 связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов через цепь согласования потенциалов 11, постоянное напряжение между выводами которой выбирается с учетом постоянной составляющей напряжения на входе дополнительного токового зеркала 8 таким образом, чтобы напряжения коллектор-база выходных 4 и 5 и входных 1 и 2 транзисторов были приблизительно одинаковы. Это обеспечивает более высокую степень компенсации R_BX.

Рассмотрим работу КДУ (фиг.2) на постоянном токе.

При нулевом входном напряжении u_ВХ=0 эмиттерные токи транзисторов 1, 2, 3, 4, 5

где I₃=2I₀ - суммарный ток общей эмиттерной цепи ДУ.

Поэтому входной ток токового зеркала 8

где β₄=β₅=β_4-5 - коэффициент усиления по току базы транзисторов 4 и 5.

Учитывая, что коэффициент передачи по току подсхемы 8 близок к единице (К_i12.8=1), находим, что суммарный ток эмиттерной цепи транзисторов 6 и 7 (I_6-7) и их коллекторные токи

Следовательно, статические входные токи КДУ

Учитывая, что транзисторы 1, 2, 3, 4 и 5 имеют одинаковый тип проводимости и одинаковый характер температурной и радиационной зависимости β, из (6) и (7) можно сделать вывод о том, что входные статические токи предлагаемого ДУ существенно меньше, чем у ДУ-прототипа.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.

Увеличение u_вх приводит к появлению тока базы транзистора 1:

где

- дифференциальное сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 1 и 2;

φ_т - температурный потенциал;

I₃=2I₀ - суммарный ток эмиттерной цепи ДУ.

Так как дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 4 и 5 равны дифференциальным сопротивлениям эмиттерных переходов транзисторов 1 и 2 для малого сигнала, то напряжение между базами транзисторов 6 и 7

Поэтому под действием u_б.6-7=u_BX коллекторный ток транзистора 6 увеличивается, транзистора 7 уменьшается

где с учетом (4) и (5):

Таким образом, переменный входной ток i_BX.1 ДУ (фиг.2) и, следовательно, его входная проводимость y_ВХ.1 уменьшаются

где

- входная проводимость ДУ-прототипа.

Так как транзисторы 1, 2, 4 и 5 идентичны по величине β, то, следовательно, входное сопротивление ДУ (фиг.2) значительно выше R_BX ДУ-прототипа. Об этом свидетельствуют графики на фиг.6 и фиг.8.

Следует заметить, что режимная зависимость β₁ и β₄, β₅ транзисторов 1, 2 (4, 5) от статического напряжения коллектор-база U_кб не позволяет получить полную компенсацию при произвольных величинах U_кб.1-2(U_кб.4-5). В этой связи для получения предельных значений R_BX в соответствии с п.2 формулы изобретения необходимо ввести дополнительную цепь согласования потенциалов 11, условно показанную на фиг.3 в виде источника э.д.с. Е₁₁. В частных случаях ее функции могут выполнять разные транзисторные каскады. Такое схемотехническое решение позволяет получить мегаомные значения R_BX (фиг.8) и наноамперные статические входные токи I_ВХ.1 (фиг.7).

Полученные выше теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования известной и предлагаемой схем в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.5-фиг.8). При этом заявляемый ДУ имеет более чем на один-два порядка более высокие значения входного сопротивления. Данный результат обеспечивается без ухудшения других параметров ДУ - токопотребления, коэффициента усиления по напряжению и напряжения смещения нуля. Кроме этого статические входные токи заявляемого ДУ значительно меньше, чем в схеме ДУ-прототипа.

Библиографический список

1. Патент США № 5.218.319.

2. Патент США № 6.304.142, fig.3.

3. Патент США № 4.721.920.

4. Патент США № 4.498.053, fig.l.

5. А.с. СССР № 600545.

6. Патент США № 6.111.463, fig 1.

7. Патент США № 4.288.707, fig.2.

8. Патент США № 5.521.544, fig.6.

9. Патентная заявка США № 2002/005393.

10. Патентная заявка США № 004/0251965, fig.5.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником (3), а коллекторы подключены к эмиттерам первого (4) и второго (5) выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами, отличающийся тем, что в схему введено дополнительное токовое зеркало (8), вход которого связан с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, а выход - подключен к объединенным эмиттерам первого (6) и второго (7) вспомогательных транзисторов, причем коллектор первого (6) вспомогательного транзистора соединен с базой первого (1) входного транзистора, а коллектор второго (7) вспомогательного транзистора соединен с базой второго (2) входного транзистора.

2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что вход дополнительного токового зеркала (8) связан с базами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов через цепь согласования потенциалов, постоянное напряжение между выводов которой выбирается с учетом постоянной составляющей напряжения на входе дополнительного токового зеркала (8) таким образом, чтобы напряжение коллектор-база выходных (4) и (5) и входных (1) и (2) транзисторов были приблизительно одинаковы.