Каскодный дифференциальный усилитель

Изобретение относится к области устройств усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления по напряжению (К_у). Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания (7), коллектор первого (5) выходного транзистора связан с выходом устройства (8) и первым выводом первого (9) резистора нагрузки, коллектор второго (6) выходного транзистора связан с выходом устройства (10) и первым выводом второго (11) резистора нагрузки, вторую (12) шину источника питания. В схему введены первое (13) и второе (14) токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого (13) токового зеркала соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго (14) токового зеркала связан с эмиттером второго (6) выходного транзистора, токовые выходы первого (13) и второго (14) токовых зеркал соединены с источником питания (15), второй вывод первого (9) резистора нагрузки через первый (16) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через первый (17) корректирующий конденсатор соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом первого (13) токового зеркала, второй вывод второго (11) резистора нагрузки через второй (18) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через второй (19) корректирующий конденсатор соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом второго (14) токового зеркала. 5 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике широко применяются простейшие каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей, фазорасщепителей и т.п. [1-14]. Коэффициент усиления по напряжению (K_у) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи выходных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.

При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ, как правило, меньше ±2,0÷2,5 В, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которые не должны превышать единиц килоом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5.568.092 fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [1-14], состоит в том, что при использовании в качестве первого 9 и второго 11 резисторов его коллекторной нагрузки с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (K_у), например, для выхода 8 (Вых.1) получается небольшим:

где R₉ - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;

r_эi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора входного дифференциального каскада 1.

Например, при R₉=1 кОм и r_э1=r_э2=25 Ом, коэффициент усиления K_у ДУ-прототипа K_у.прот≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (K_у) при использовании сравнительно низкоомных первого 9 и второго 11 резисторов коллекторной нагрузки (например, R₉=R₁₁=1÷2 кОм) в условиях известных ограничений SiGe-технологии на напряжения питания ДУ (±2,0÷2,5В).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25H2).

На фиг.4 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.1 и фиг.2. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R₀=R₆=150 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.3, фиг.2) повышается в диапазоне рабочих частот на 20 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с K_у ДУ-прототипа. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.

На фиг.5 показаны сравнительные графики K_у=φ(f) ДУ фиг.3:

- без повторителей тока 13 и 14 (нижняя кривая);

- с повторителями тока 13 и 14, но при C₁₇=C₁₉=C_var=0 (средняя кривая прототип С_var=0);

- при реализации ДУ в соответствии с фиг.3 при С_var=200 пф-50 нф.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.

В качестве первого 13 и второго 14 токовых зеркал могут применяться классические решения (см., например, фиг.3). На чертеже фиг.2 входной каскад 1 реализован на транзисторах 20 и 21 и двухполюснике 22 с током I₂₂=2I₀, равным, например, 1 мА.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.

Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 22 и напряжением Е7 на базах транзисторов 5 и 6. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 20 и 21, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 по выходу Вых.1 в диапазоне рабочих частот определяется по формуле:

где K_i13.13≈2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 13 со входа к общему эмиттерному выходу;

R_н.экв.5 - эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора 5 в узле 8 («Вых.1»);

r_э20=r_э21 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 20 и 21 входного каскада 1.

Причем К_н.экв.5 можно найти из выражения:

где

,

- коэффициент деления тока i_R9;

α₅≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ фиг.2:

где K_у.прот - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1 (1).

Поэтому выигрыш по К_у в схеме фиг.2

Численные значения K_у (4) определяются знаменателем данной формулы, который зависит прежде всего от коэффициента усиления по току K_i13.13 токового зеркала 13 и коэффициента деления тока i_R9 между конденсатором 17 и резистором 16 (K_d1<1). Например, для получения десятикратного выигрыша по усилению (N_у=10) необходимо обеспечить (за счет соответствующего выбора на этапе изготовления площадей эмиттерных переходов транзисторов Q₆ и Q₃ (Q₇ и Q₂) токов зеркал 13 и 14 (фиг.3)) равенство:

Если считать, что R₁₆≈R₉, α₅=0,99, то из (6) следует, что К_i13.3 должен быть близок к двум единицам, что обеспечивается топологией транзисторов, образующих токовые зеркала 13 и 14. При стабильных значениях R₁₆, R₁₉, α₅ можно реализовать достаточно стабильные значения K_у в диапазоне изменения внешних факторов (температура, радиация и т.п.).

В практических схемах (фиг.3) выигрыш по K_у получается на уровне - на 24 дБ (фиг.4, фиг.5).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет в диапазоне рабочих частот существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.

Источники информации

1. Патент США №3.660.773

2. Патент Франции №1.484.340

3. Патент ФРГ №1.214.733

4. Патент Англии №1.520.085

5. Патент США №3.482.177

6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т

7. Патент ФРГ №1.537.590

8. Патент Франции №1.548.008

9. Патент ФРГ №2.418.455

10. Патент США №5.185.582 fig.1

11. Патент США №4.151.483 fig.3

12. Патент Японии JP 61264806

13. Патент США №3.660.773

14. А.с. СССР №427451

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (4) шиной источника питания, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания (7), коллектор первого (5) выходного транзистора связан с выходом устройства (8) и первым выводом первого (9) резистора нагрузки, коллектор второго (6) выходного транзистора связан с выходом устройства (10) и первым выводом второго (11) резистора нагрузки, вторую (12) шину источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первое (13) и второе (14) токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого (13) токового зеркала соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго (14) токового зеркала связан с эмиттером второго (6) выходного транзистора, токовые выходы первого (13) и второго (14) токовых зеркал соединены с источником питания (15), второй вывод первого (9) резистора нагрузки через первый (16) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через первый (17) корректирующий конденсатор соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом первого (13) токового зеркала, второй вывод второго (11) резистора нагрузки через второй (18) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через второй (19) корректирующий конденсатор соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом второго (14) токового зеркала.