Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ операционных усилителях, компараторах, буферных усилителях и т.п.). Технический результат: получение более высокого К_у при использовании в качестве двухполюсников нагрузки низкоомных резисторов, а также сохранение важнейших характеристик ДУ-прототипа, связанных с симметричным выполнением выходных транзисторов (смещение нуля UCM, температурный дрейф UCM и т.п.). Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого (4) и второго (5) вспомогательных двухполюсников (ДП) и базами соответствующих первого (6) и второго (7) выходных транзисторов (Т), первый (8) токостабилизирующий ДП, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго (7) выходного Т, а вторым выводом - с шиной первого (9) источника питания (ИП), второй (10) ИП, связанный с коллектором второго (7) выходного Т, причем вторые выводы первого (4) и второго (5) ДП соединены с коллектором первого Т (6). Эмиттер первого Т (6) соединен с эмиттером второго Т (7), а коллектор первого Т (6) связан с шиной второго (10) ИП через второй (11) токостабилизирующий ДП. 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, СВЧ операционных усилителях, компараторах, буферных усилителях и т.п.).

В современной микроэлектронике широкое распространение получили простейшие двухкаскадные дифференциальные усилители на основе входного параллельно-балансного каскада, с симметричной резистивной нагрузкой и выходных эмиттерных повторителей [1-12]. Благодаря простоте эти ДУ стали основой многих функциональных узлов и IP-модулей устройств связи, автоматики и управления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель (ДУ) (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США № 2005/0110571, fig.6 и fig.7. Эта же структура присутствует в патентах [1-11]. Однако при реализации ДУ данного класса по внедряемым во многих микроэлектронных фирмах новым SiGe-техпроцессам (например, SOB25VD) их коэффициент усиления по напряжению получается небольшим. Действительно, при низковольтном питании из-за физических ограничений в транзисторах коэффициент усиления классической схемы ДУ (фиг.1) для несимметричного выхода «Вых.1.» определяется по формуле

где - напряжение питания коллекторной цепи ДУ;

φ_Т=26 мВ - температурный потенциал.

При из (1) получаем, что К_y.max≤46. B большинстве случаев этого недостаточно.

Таким образом, существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при малых напряжениях питания его коэффициент усиления по напряжению K_у получается небольшим.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении более высокого K_у при использовании в качестве двухполюсников нагрузки низкоомных резисторов, а также сохранении важнейших характеристик ДУ-прототипа, связанных с симметричным выполнением выходных транзисторов (смещение нуля U_см, температурный дрейф U_см и т.п.).

Поставленная задача достигается тем, что в ДУ (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников и соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго 7 выходного транзистора, а вторым выводом - с шиной первого 9 источника питания, второй 10 источник питания, связанный с коллектором второго 7 выходного транзистора, причем вторые выводы первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников соединены с коллектором первого 6 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы связи - эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 7 выходного транзистора, а коллектор первого 6 выходного транзистора связан с шиной второго 10 источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник.

На чертеже фиг.1. представлена схема ДУ-прототипа.

На чертеже фиг.2 показана схема заявляемого ДУ в соответствии с формулой изобретения,

На чертеже фиг.3 показана схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP для случая, когда в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 используются резисторы.

На чертеже фиг.4 представлена зависимость коэффициентов усиления ДУ без обратной связи (верхний график) и ДУ со 100% обратной связью (нижний график) от частоты. Графики фиг.4 показывают, что заявляемый ДУ имеет верхнюю граничную частоту по уровню - 3 дБ более 1 ГТЦ при коэффициенте усиления около 50 дБ. В схеме с обратной связью заявляемое устройство обеспечивает высококачественное повторение СВЧ сигналов.

На чертеже фиг. 5 показана схема 2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP для случая, когда в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 используются p-n переходы.

На чертеже фиг. 6 представлена зависимость коэффициентов усиления ДУ фиг. 5 без обратной связи (верхний график) и ДУ со 100% обратной связью (нижний график) от частоты. Графики фиг. 6 показывают, что при использовании в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 p-n переходов диапазон рабочих частот заявляемого ДУ со 100% обратной связью достигает 10 ГГц.

На чертеже фиг.7 приведен график выходного напряжения ДУ фиг.5 со 100% обратной связью и частотой входного сигнала 10 МГц.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников и базами соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго 7 выходного транзистора, а вторым выводом - с шиной первого 9 источника питания, второй 10 источник питания, связанный с коллектором второго 7 выходного транзистора, причем вторые выводы первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников соединены с коллектором первого 6 выходного транзистора. Эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 7 выходного транзистора, а коллектор первого 6 выходного транзистора связан с шиной второго 10 источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 12 и 13 и двухполюснике 14.

Рассмотрим далее работу схемы фиг. 2 при подаче на левый вход (Вх.1) положительной полуволны входного сигнала u_вх. Изменение u_вx приводит к увеличению эмиттерного тока транзистора 12 и уменьшению эмиттерного тока транзистора 13:

где r_эi - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 12 и 13.

Как следствие, уменьшается напряжение u₃ на вспомогательном двухполюснике 5, которое через эмиттерный повторитель на втором выходном транзисторе 7 с единичным коэффициентом передается на выход устройства и эмиттер транзистора 6.

Напряжение u_вых несколько подзапирает транзистор 6, что приводит к увеличению напряжения на втором токостабилизирующем двухполюснике 11.

В связи с тем, что в схеме фиг. 2 u_вых≈u₃≈u₂, эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 3 существенно повышаются. Это позволяет увеличить К_у схемы фиг. 2 более чем на порядок (до 50 дБ) при сохранении за счет симметрии на постоянном токе высокой стабильности нуля (U_см=20÷100 мкВ). В рамках техпроцесса SGB25VD в качестве второго токостабилизирующего двухполюсника могут использоваться полевые транзисторы или резисторы.

Данные теоретические выводы соответствуют результатам компьютерного моделирования схем фиг.3, фиг.5, представленным графиками фиг.4, фиг.6.

Следует также заметить, что при использовании в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 p-n переходов с малыми дифференциальными сопротивлениями (25÷50 Ом) коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг. 5 получается достаточно высоким (К_у.max>40 дБ, фиг.6). Схема фиг.5 обеспечивает качественное усиление синусоидальных сигналов (фиг.7).

Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции дифференциального усилителя с одним выходом при высокой стабильности нуля (при К_у>50 дБ).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патентная заявка США № 2009/108882, fig.3.

2. Патентная заявка США № 2005/0088232, fig.1.

3. Патент Франции № 2409640, fig.1.

4. Патентная США № 2009/0221259, fig.13.

5. Патентная заявка США № 2005/020041.4.

6. Патент США № 4.680.553, fig.13.

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

8. Патент США № 4.276.485, fig.1.

9. Патент JP № 54079553, fig.1.

10. Патент GB № 2008883, fig.1.

11. Патент США № 6.462.6.18.

12. Патентная заявка США № 2005/0110571, fig.6, fig.7.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого (4) и второго (5) вспомогательных двухполюсников и базами соответствующих первого (6) и второго (7) выходных транзисторов, первый (8) токостабилизирующий двухполюсник, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго (7) выходного транзистора, а вторым выводом - с шиной первого (9) источника питания, второй (10) источник питания, связанный с коллектором второго (7) выходного транзистора, причем вторые выводы первого (4) и второго (5) вспомогательных двухполюсников соединены с коллектором первого (6) выходного транзистора, отличающийся тем, что эмиттер первого (6) выходного транзистора соединен с эмиттером второго (7) выходного транзистора, а коллектор первого (6) выходного транзистора связан с шиной второго (10) источника питания через второй (11) токостабилизирующий двухполюсник.