Дифференциальный усилитель

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в различных микроэлектронных устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов с малым напряжением питания. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит соединенные параллельно по входам (3, 6) ДУ дифференциальные каскады на транзисторах (Т) (1, 4) и (2, 5) и источники опорного тока (ИОТ) (7, 8), коллекторы Т (4, 5) подключены к первым синфазным входам (11 и 12) сумматора тока (13), выход которого является выходом (14) ДУ. В ДУ введены дополнительные Т (15, 16), базы которых подключены соответственно к объединенным эмиттерам Т (1, 4) и Т (2, 5), эмиттеры соединены с выходами соответствующих ИОТ (7 и 8), согласованных с шиной положительного (9) и отрицательного (10) источников питания. Причем коллектор Т (15) соединен с входом (17) первого токового зеркала (Т3) (18), выход (19) которого связан с эмиттерами Т (1 и 4), а коллектор Т (16) соединен с входом (20) второго Т3 (21), выход (22) которого связан с эмиттерами Т (2 и 5). 1 з.п. ф-лы, 10 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 дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух параллельно-включенных дифференциальных каскадов (ДК) с источниками опорного тока в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») [1-20]. По такой архитектуре, на модификации которой выдано около 100 патентов различных стран, выполнены операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм (AD8631, AD8632, НА2539 и др.). Однако в практических схемах известных ДУ коэффициент ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф) получается небольшим (50-60 дБ). Это связано с тем, что выходное сопротивление простейших источников опорного тока на основе токовых зеркал, обеспечивающих наиболее широкий диапазон изменения входных синфазных напряжений ДК, оказывается небольшим (30-100 кОм).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 5.153.529 H 03 f 3/45, содержащий первый 1 n-p-n и второй 2 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 n-p-n и четвертый 5 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены со вторым входом 6 дифференциального усилителя, первый 7 и второй 8 источники опорного тока, согласованные соответственно с шиной положительного 9 и отрицательного 10 источников питания, причем эмиттеры первого 1 и третьего 4 n-p-n входных транзисторов объединены, второго 2 и четвертого 5 p-n-p входных транзисторов - связаны друг с другом, а коллекторы третьего 4 p-n-p и четвертого 5 n-p-n входных транзисторов подключены к первым синфазным входам 11 и 12 сумматора тока 13, выход которого 14 является выходом дифференциального усилителя. Кроме этого коллекторы транзисторов 1 и 2 связаны со вторыми синфазными входами сумматора токов 13, которые обеспечивают сдвиг фазы сигнала относительно первых синфазных входов 11 и 12 на 180°.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый 1 n-p-n и второй 2 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 n-p-n и четвертый 5 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены со вторым входом 6 дифференциального усилителя, первый 7 и второй 8 источники опорного тока, согласованные соответственно с шиной положительного 9 и отрицательного 10 источников питания, причем эмиттеры первого 1 и третьего 4 n-p-n входных транзисторов объединены, второго 2 и четвертого 5 p-n-p входных транзисторов связаны друг с другом, а коллекторы третьего 4 p-n-p и четвертого 5 n-p-n входных транзисторов подключены к входам 11 и 12 сумматора тока 13, выход которого 14 является выходом дифференциального усилителя, вводятся новые элементы и связи между ними (фиг.2) - в схему введены первый p-n-p 15 и второй n-p-n 16 дополнительные транзисторы, базы которых подключены соответственно к объединенным эмиттерам первого 1 и третьего 4 входных n-p-n транзисторов и объединенным эмиттерам второго 2 и четвертого 5 p-n-p входных транзисторов, эмиттеры соединены с выходами соответствующих первого 7 и второго 8 источников опорного тока, согласованных с шиной положительного 9 и отрицательного 10 источников питания, причем коллектор первого дополнительного p-n-p транзистора 15 соединен с входом 17 первого вспомогательного токового зеркала 18, выход 19 которого связан с эмиттерами первого 1 и третьего 4 входных n-p-n транзисторов, а коллектор второго дополнительного n-p-n транзистора 16 соединен с входом 20 второго вспомогательного токового зеркала 21, выход 22 которого связан с эмиттерами второго 2 и четвертого 5 входных p-n-p транзисторов.

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

На фиг.3 показаны направления токов и напряжений схемы фиг.2 при подаче на входы 3 и 6 входного синфазного сигнала u_c=u_c1=u_c2. На фиг.4 приведена схема ДУ фиг.2 с конкретным выполнением функциональных узлов 7, 8, 18, 21, 13.

На фиг.5 сумматор тока 13 выполнен на основе так называемого «перегнутого» каскода.

Схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения приведена на фиг.6.

На фиг.7-8 показана схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice. Причем в схеме фиг.7 используются реальные, а в схеме фиг.8 - идеальные источники опорного тока 7 (I₁) и 8 (I₂).

На фиг.9 приведена схема заявляемого устройства (фиг.2) в среде PSpice.

На фиг.1-10 приняты следующие обозначения:

К_у.1 - коэффициент передачи по напряжению дифференциального сигнала ДУ фиг.8.

К_у.2 - коэффициент передачи по напряжению дифференциального сигнала ДУ фиг.9.

К_у.3 - коэффициент передачи по напряжению дифференциального сигнала ДУ фиг.7.

К_сф.1 - коэффициент передачи по напряжению синфазного сигнала ДУ фиг.8.

К_сф.2 - коэффициент передачи по напряжению синфазного сигнала ДУ фиг.9.

К_сф.3 - коэффициент передачи по напряжению синфазного сигнала ДУ фиг.7.

- коэффициент ослабления входного синфазного сигнала.

Графики фиг.10 характеризуют частотную зависимость дифференциальных коэффициентов усиления по напряжению ДУ фиг.7 (прототип) (К_у3), ДУ фиг.8 (K_у1) и ДУ фиг.9 заявляемого устройства (К_у2), а также их коэффициентов передачи синфазного сигнала К_сф.1 (фиг.8), К_сф.2 (фиг.9), К_сф.3 (фиг.7).

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 n-p-n и второй 2 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 n-p-n и четвертый 5 p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены со вторым входом 6 дифференциального усилителя, первый 7 и второй 8 источники опорного тока, согласованные соответственно с шиной положительного 9 и отрицательного 10 источников питания, причем эмиттеры первого 1 и третьего 4 n-p-n входных транзисторов объединены, второго 2 и четвертого 5 p-n-p входных транзисторов связаны друг с другом, а коллекторы третьего 4 p-n-p и четвертого 5 n-p-n входных транзисторов подключены к первым синфазным входам 11 и 12 сумматора тока 13, выход которого 14 является выходом дифференциального усилителя. В схему введены первый p-n-p 15 и второй n-p-n 16 дополнительные транзисторы, базы которых подключены соответственно к объединенным эмиттерам первого 1 и третьего 4 входных n-p-n транзисторов и объединенным эмиттерам второго 2 и четвертого 5 p-n-p входных транзисторов, эмиттеры соединены с выходами соответствующих первого 7 и второго 8 источников опорного тока, согласованных с шиной положительного 9 и отрицательного 10 источников питания, причем коллектор первого дополнительного p-n-p транзистора 15 соединен со входом 17 первого вспомогательного токового зеркала 18, выход 19 которого связан с эмиттерами первого 1 и третьего 4 входных n-p-n транзисторов, а коллектор второго дополнительного n-p-n транзистора 16 соединен со входом 20 второго вспомогательного токового зеркала 21, выход 22 которого связан с эмиттерами второго 2 и четвертого 5 входных p-n-p транзисторов.

В дифференциальном усилителе фиг.6 сумматор тока 13 кроме первых синфазных входов 11 и 12 имеет вторые синфазные входы 23, 24. Причем относительно первых синфазных входов 11 и 12 вторые синфазные входы 23, 24 обеспечивают сдвиг фазы входных сигналов на 180°.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.3 (фиг.2).

Входной синфазный сигнал u_c=u_c1=u_c2 практически с единичным коэффициентом передачи поступает в эмиттерные цепи дифференциальных каскадов на транзисторах 1, 4 и 2, 5, а также источники опорного тока 7 и 8:

Это приводит к изменению выходного тока токовых зеркал 18 и 21 и токов эмиттеров транзисторов 15 и 16:

где y₁₈, y₂₁, y₇, y₈ - выходные проводимости токовых зеркал 18, 21 и источников опорного тока 7 и 8.

Приращения токов i₇ и i₈ передаются в цепи коллекторов транзисторов 15 и 16, а затем через токовые зеркала 18 и 21 - в общие эмиттерные цепи дифференциальных каскадов. Как следствие суммарные токи общих эмиттерных цепей ДК на транзисторах 1, 4 и 2, 5:

где K_i18, K_i21 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 18 и 21;

α₁₅, α₁₆ - коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов 15 и 16.

Или после преобразований (3)

Поэтому выходной ток сумматора 13, усиленный в К_i13-раз, равен

Учитывая, что К_i21≈α₁₆≈1, из (5) находим, что выходной ток ДУ, обусловленный наличием на его входах 3 и 6 синфазного сигнала

В практических схемах источник опорного тока 7 и токовое зеркало 21, а также источник опорного тока 8 и токовое зеркало 18 выполняются по одним и тем же схемам и имеют одинаковые выходные транзисторы и их статический режим. Как следствие, их выходные проводимости равны y₁₈=y₈, y₂₁=y₇. Причем для интегральных n-p-n и p-n-p транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» выполняются неравенства y₈≪y₇, y₂₁≫y₁₈. Поэтому в заявляемом ДУ выходной сигнал, обусловленный напряжением на выходах 3 и 6 синфазной составляющей входного напряжения равен нулю, что свидетельствует о высоких значениях коэффициента ослабления входных синфазных сигналов К_ос.сф. Практически К_ос.сф в заявляемом ДУ определяется неидентичностью сопротивлений коллекторных переходов транзисторов 1, 4 и 2, 5, которые оказывают на 1-2 порядка меньшее влияние на К_ос.сф, чем выходные проводимости источника опорного тока. Таким образом в ДУ фиг.2 за счет введения новых связей существенно ослабляется прохождение синфазного сигнала на выход 14. Полученные выше теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.10) ДУ фиг.7-9. Из графиков фиг.10 следует, что:

1. Коэффициент передачи входного синфазного сигнала К_сф.2 в заявляемом ДУ (фиг.9) в 40-50 раз меньше К_сф.3 ДУ-прототипа (фиг.7) и близок по величине К_сф.1 ДУ (фиг.8) с идеальными источниками опорного тока 7 и 8.

2. Коэффициенты передачи дифференциального сигнала заявляемого ДУ и ДУ-прототипа приблизительно одинаковы.

3. Коэффициент ослабления входного синфазного сигнала К_ос.сф заявляемого ДУ в 50-80 раз лучше, чем К_ос.сф ДУ-прототипа.

Библиографический список

1. Патент РФ № 2193273, H 03 F 3/45.

2. Патент Японии № 53-25232, H 03 F 3/26, 98(5) А332.

3. Патент US 2001/0052818 A1, H 03 F, 3/45.

4. Патент Японии № JP 8222972.

5. Авт. Свид. СССР № 611288.

6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - стр.103. Рис.6.11.

7. Патент США № 6.366.170 В1, H 03 F/45.

8. Патент США № 6.268.769, H 03 F/45.

9. Патент США № 3.974.455, H 03 F/45.

10. Патент США № 3.968.451, H 03 F/45.

11. Патент США № 4.837.523, H 03 F/45.

12. Патент США № 5.291.149, H 03 F/45.

13. Патент США № 4.636.743, H 03 F/45.

14. Патент США № 4.783.637, H 03 F/45.

15. Патент США № 5.515.005, H 03 F/45.

16. Патент США № 5.291.149, H 03 F/45.

17. Патент США № 5.140.280, H 03 F/45.

18. Патент США № 5.455.535, H 03 F/45.

19. Патент США № 5.523.718, H 03 F/45.

20. Патент США № 4.600.893, H 03 F/45.

1. Дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) n-p-n и второй (2) p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены с первым (3) входом дифференциального усилителя, третий (4) n-p-n и четвертый (5) p-n-p входные транзисторы, базы которых соединены со вторым входом (6) дифференциального усилителя, первый (7) и второй (8) источники опорного тока, согласованные соответственно с шиной положительного (9) и отрицательного (10) источников питания, причем эмиттеры первого (1) и третьего (4) n-p-n входных транзисторов объединены, второго (2) и четвертого (5) p-n-p входных транзисторов связаны друг с другом, а коллекторы третьего (4) p-n-p и четвертого (5) n-p-n входных транзисторов подключены к первым синфазным входам (11) и (12) сумматора тока (13), выход которого (14) является выходом дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в схему введены первый p-n-p (15) и второй n-p-n (16) дополнительные транзисторы, базы которых подключены соответственно к объединенным эмиттерам первого (1) и третьего (4) входных n-p-n транзисторов и объединенным эмиттерам второго (2) и четвертого (5) p-n-p входных транзисторов, эмиттеры соединены с выходами соответствующих первого (7) и второго (8) источников опорного тока, согласованных с шиной положительного (9) и отрицательного (10) источников питания, причем коллектор первого дополнительного p-n-p транзистора (15) соединен со входом (17) первого вспомогательного токового зеркала (18), выход (19) которого связан с эмиттерами первого (1) и третьего (4) входных n-p-n транзисторов, а коллектор второго дополнительного n-p-n транзистора (16) соединен со входом (20) второго вспомогательного токового зеркала (21), выход (22) которого связан с эмиттерами второго (2) и четвертого (5) входных p-n-p транзисторов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что коллекторы первого n-p-n (1) и второго p-n-p (2) входных транзисторов подключены ко вторым синфазным входам (23) и (24) сумматора тока (13), который обеспечивает сдвиг фазы сигнала относительно первых синфазных входов (11) и (12) на 180°.