Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала

Изобретение относится к области радиотехники и связи для усиления разности двух сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах). Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит первый входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым токостабилизирующим двухполюсником (ТД) (2), первый вывод которого соединен с эмиттерами входных n-p-n транзисторов (Т) (3) и (4), базы которых подключены ко входам ДУ (5) и (6), второй входной ДК (7) со вторым ТД (8), первый вывод которого соединен с эмиттерами входных p-n-p Т (9) и (10), базы которых связаны со входами ДУ (5) и (6), выходной каскад на p-n-p (11) и n-p-n (12) выходных Т, коллекторы которых подключены к нагрузке (13), базы - связаны с соответствующими источниками положительного (14) и отрицательного (15) напряжений смещения, причем эмиттер Т (11) связан через двухполюсник (16) с шиной источника питания (ИП) (17) и коллектором Т (4), а эмиттер Т (12) соединен через двухполюсник (18) с шиной ИП (19) и коллектором Т (10). Введены p-n-p (20) и n-p-n (21) составные Т, коллекторы которых подключены к нагрузке (13), базы - к соответствующим источникам (14) и (15) смещения, причем эмиттер Т (20) соединен с шиной ИП (17) через двухполюсник (22) и подключен ко второму выводу ТД (8), а эмиттер второго Т (21) соединен с шиной ИП (19) через двухполюсник (23) и подключен ко второму выводу ТД (2). 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления разности двух сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух параллельно включенных дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») и выходных каскадов, выполненных на транзисторах по схеме с общей базой [1-7]. Это самые широкополосные ДУ. По такой архитектуре, на модификации которой выдано около 100 патентов различных стран, выполнены операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм. Причем в качестве токостабилизирующих двухполюсников каждого из параллельно включенных ДК таких ДУ применяются резисторы [8-11] - если усилитель не работает с синфазным сигналом. Последний вариант построения ДУ практически не используется в структуре операционных усилителей и компараторов, т.к. он не дает приемлемых значений коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф). Это связано с тем, что для получения больших значений К_ос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих резисторов на уровне сотен килом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании (E_П=1,5÷5 В). В технической литературе по аналоговой схемотехнике хорошо известно следующее правило построения ДУ - «в качестве токостабилизирующих двухполюсников ДУ не следует применять резисторы» (Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. М.: Радиософт, 2002. - С.81, 3 абзац сверху).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5291149, фиг.1, содержащий первый входной дифференциальный каскад 1 с первым токостабилизирующим двухполюсником 2, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных n-p-n транзисторов 3 и 4, базы которых подключены ко входам дифференциального усилителя 5 и 6, второй входной дифференциальный каскад 7 со вторым токостабилизирующим двухполюсником 8, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных p-n-p транзисторов 9 и 10, базы которых связаны со входами дифференциального усилителя 5 и 6, выходной каскад на первом p-n-p 11 и втором n-p-n 12 выходных транзисторах, коллекторы которых соединены друг с другом и подключены к нагрузке 13, базы - связаны с соответствующими источниками положительного 14 и отрицательного 15 напряжений смещения, причем эмиттер первого выходного p-n-p транзистора 11 связан через первый вспомогательный двухполюсник 16 с шиной положительного источника питания 17 и коллектором входного n-p-n транзистора 4, а эмиттер второго выходного n-p-n транзистора 12 соединен через второй вспомогательный двухполюсник 18 с шиной отрицательного источника питания 19 и коллектором входного p-n-p транзистора 10. В связи с применением «перегнутых» каскодных усилителей такие ДУ обеспечивают предельное значение верхней граничной частоты.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов. Прежде всего, данный недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников 2 и 8 резисторов или простейших источников тока на транзисторах с малым напряжением Эрли, которые при милиамперных токах имеют выходное сопротивление порядка 30-60 кОм.

Определим К_ос.сф дифференциального усилителя-прототипа фиг.1. При изменении входного синфазного сигнала u_c=u_c1=u_c2 изменяются токи через двухполюсники 2 и 8

где , - проводимости двухполюсников 2 и 8.

Эти токи делятся пополам в эмиттерных цепях транзисторов 3, 4, 9, 10. Поэтому коллекторные токи транзисторов 4 и 10:

где К_3.4≈K_4.10≈0,5 - коэффициенты деления токов в общей эмиттерной цепи дифференциальных каскадов 1 и 7;

α₄≈4, α₁₀≈1 - коэффициенты усиления по току эмиттера транзисторов 4 и 10.

Причем

где r_э3≈r_э4; r_э9≈r_э10 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 3, 4 и 9, 10.

В результате ток в нагрузке 13, обусловленный синфазным сигналом u_c

Или

Если на вход 5 и 6 ДУ подается дифференциальный сигнал u_вх=u_c1-u_с2, то ток в нагрузке 13, обусловленный этим сигналом

где r_э=r_э3=r_э4=r_э9=r_э10.

По определения К_ос.сф может быть рассчитан по формуле:

После преобразований (10) с учетом (8) и (9) при y₈=y₂ находим

Таким образом при R₂=R₈=10 кОм и статическом токе эмиттеров I_э=250 мкА транзисторов 3, 4 и 9, 10: К_ос.сф=100 (или 40 дБ).

Эти расчетные данные совпадают с результатами компьютерного моделирования ДУ фиг.5, представленными на чертеже фиг.7.

Таким образом, известный ДУ имеет малый коэффициент ослабления синфазных сигналов.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ при относительно небольших внутренних сопротивлениях токостабилизирующих двухполюсников. При этом в заявляемом ДУ в качестве токостабилизирующих двухполюсников 2 и 8 могут применяться сравнительно низкоомные резисторы.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый входной дифференциальный каскад 1 с первым токостабилизирующим двухполюсником 2, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных n-p-n транзисторов 3 и 4, базы которых подключены ко входам дифференциального усилителя 5 и 6, второй входной дифференциальный каскад 7 со вторым токостабилизирующим двухполюсником 8, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных p-n-p транзисторов 9 и 10, базы которых связаны со входами дифференциального усилителя 5 и 6, выходной каскад на первом p-n-p 11 и втором n-p-n 12 выходных транзисторах, коллекторы которых соединены друг с другом и подключены к нагрузке 13, базы - связаны с соответствующими источниками положительного 14 и отрицательного 15 напряжений смещения, причем эмиттер первого выходного p-n-p транзистора 11 связан через первый вспомогательный двухполюсник 16 с шиной положительного источника питания 17 и коллектором входного n-p-n транзистора 4, а эмиттер второго выходного n-p-n транзистора 12 соединен через второй вспомогательный двухполюсник 18 с шиной отрицательного источника питания 19 и коллектором входного p-n-p транзистора 10, вводятся новые элементы и связи - первый p-n-p 20 и второй n-p-n 21 составные транзисторы, коллекторы которых подключены к нагрузке 13, базы - к соответствующим источникам положительного 14 и отрицательного 15 напряжений смещения, причем эмиттер первого p-n-p составного транзистора 20 соединен с шиной положительного источника питания 17 через первый дополнительный двухполюсник 22 и подключен ко второму выводу второго токостабилизирующего двухполюсника 8, а эмиттер второго составного n-p-n транзистора 21 соединен с шиной отрицательного источника питания 19 через второй дополнительный двухполюсник 23 и подключен ко второму выводу первого токостабилизирующего двухполюсника 2.

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

На чертеже фиг.3 показана схемотехника составного p-n-p 20 и n-p-n 21 транзисторов ДУ фиг.2.

Переменные токи и напряжения в заявляемом ДУ фиг.2 при воздействии на его входы 5 и 6 синфазного сигнала u_c1=u_c2=u_c показаны на чертеже фиг.4.

На чертеже фиг.5 изображена схема ДУ-прототипа фиг.1, которая исследовалась авторами в среде PSpice на степень ослабления синфазных сигналов. На чертеже фиг.6 показана схема заявляемого ДУ (при воздействии на его входы синфазного сигнала u_c) на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.7 показаны результаты компьютерного моделирования схем ДУ фиг.5 и фиг.6 - зависимость их коэффициентов ослабления входных синфазных сигналов (К_ос.сф) от частоты.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый входной дифференциальный каскад 1 с первым токостабилизирующим двухполюсником 2, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных n-p-n транзисторов 3 и 4, базы которых подключены ко входам дифференциального усилителя 5 и 6, второй входной дифференциальный каскад 7 со вторым токостабилизирующим двухполюсником 8, первый вывод которого соединен с эмиттерами входных p-n-p транзисторов 9 и 10, базы которых связаны со входами дифференциального усилителя 5 и 6, выходной каскад на первом p-n-p 11 и втором n-p-n 12 выходных транзисторах, коллекторы которых соединены друг с другом и подключены к нагрузке 13, базы - связаны с соответствующими источниками положительного 14 и отрицательного 15 напряжений смещения, причем эмиттер первого выходного p-n-p транзистора 11 связан через первый вспомогательный двухполюсник 16 с шиной положительного источника питания 17 и коллектором входного n-p-n транзистора 4, а эмиттер второго выходного n-p-n транзистора 12 соединен через второй вспомогательный двухполюсник 18 с шиной отрицательного источника питания 19 и коллектором входного p-n-p транзистора 10. В схему введены первый p-n-p 20 и второй n-p-n 21 составные транзисторы, коллекторы которых подключены к нагрузке 13, базы - к соответствующим источникам положительного 14 и отрицательного 15 напряжений смещения, причем эмиттер первого p-n-p составного транзистора 20 соединен с шиной положительного источника питания 17 через первый дополнительный двухполюсник 22 и подключен ко второму выводу второго токостабилизирующего двухполюсника 8, а эмиттер второго составного n-p-n транзистора 21 соединен с шиной отрицательного источника питания 19 через второй дополнительный двухполюсник 23 и подключен ко второму выводу первого токостабилизирующего двухполюсника 2.

В соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) первый составной p-n-p транзистор 20 выполнен в виде первого 24 и второго 25 вспомогательных p-n-p транзисторов, соответствующие эмиттеры и базы которых объединены друг с другом, причем коллектор первого вспомогательного транзистора 24 является коллекторным выводом первого составного p-n-p транзистора 20, а коллектор второго вспомогательного транзистора 25 подключен к шине отрицательного источника питания 19, второй составной n-p-n транзистор 21 выполнен в виде первого 26 и второго 27 вспомогательных n-p-n транзисторов, соответствующие эмиттеры и базы которых объединены друг с другом, причем коллектор первого вспомогательного n-p-n транзистора 26 является коллекторным выводом второго составного n-p-n транзистора 21, а коллектор второго вспомогательного транзистора 27 подключен к шине положительного источника питания 19.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ на примере анализа схемы фиг.4.

Изменение входного синфазного напряжения на входах ДУ 5 и 6 на величину u_c=u_c1=u_c2 приводят к изменению токов через двухполюсники 2 и 8:

где y₈, y₂ - проводимости двухполюсников 2 и 8.

Поэтому коллекторные токи транзисторов 3 и 9, а также 20 и 21, 11 и 12:

где K_10.9≈K_4.3≈0,5;

α₉≈1, α₃≈1, α₁₂≈α₂₁≈α₂₀≈1.

Из уравнений (13)-(18) можно найти составляющую тока нагрузки, обусловленную синфазным сигналом на входе ДУ, и коэффициент К_у.сф:

где R₁₃ - сопротивление резистора нагрузки 13.

Аналогично найдем выходной ток и усиление дифференциального сигнала u_вх ДУ фиг.4:

Поэтому коэффициент ослабления входных синфазных сигналов

где

Из уравнения (24) следует, что в заявляемом ДУ влияние y₈ и y₂ на К_ос.сф ослабляется в N_i-раз, где

Благодаря попарной идентичности коэффициентов передачи по току, входящих в уравнение (25)-(26), знаменатель формулы (27) близок к нулю. Следовательно, введение новых связей повышает К_ос.сф ДУ фиг.4. Компьютерное моделирование (фиг.7) подтверждает данный вывод.

Важнейшее свойство заявляемой схемы ДУ - широкий допустимый диапазон изменения синфазного сигнала (u_c.max) - практически равный его напряжению питания (Е_П). Следует обратить внимание, что построение высокоэффективных входных дифференциальных каскадов с u_c.max≈±E_П относится к числу плохо решенных проблем современной аналоговой микросхемотехники.

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва) (фиг.7).

Источники информации

1. Патент США №5291149, фиг.1.

2. Патент РФ №2193273, H03F 3/45.

3. Справочник: операционные усилители и компараторы (Авербух В. Д. и др.). - М.: Изд-во «Додэка-XXI», 2001, с.122 (НА 2539).

4. Патент США №4600893, фиг.3.

5. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989, стр.103, рис.6. 11 (ОУ HAS 190).

6. Патент США №4837522, фиг.1.

7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. - М.: Радио-Софт, 2002, с.87, рис.5.21.

8. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с. - стр.156, рис.4.25.

9. Патент США №4131809, H03F 3/45.

10. Патент США №3323070, H03F 3/45.

11. Патент ЕР №1351381 A1, H03F 3/30.

1. Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала, содержащий первый входной дифференциальный каскад (1) с первым токостабилизирующим двухполюсником (2), первый вывод которого соединен с эмиттерами входных n-p-n транзисторов (3) и (4), базы которых подключены ко входам дифференциального усилителя (5) и (6), второй входной дифференциальный каскад (7) со вторым токостабилизирующим двухполюсником (8), первый вывод которого соединен с эмиттерами входных p-n-p транзисторов (9) и (10), базы которых связаны со входами дифференциального усилителя (5) и (6), выходной каскад на первом p-n-p (11) и втором n-p-n (12) выходных транзисторах, коллекторы которых соединены друг с другом и подключены к нагрузке (13), базы - связаны с соответствующими источниками положительного (14) и отрицательного (15) напряжений смещения, причем эмиттер первого выходного p-n-p транзистора (11) связан через первый вспомогательный двухполюсник (16) с шиной положительного источника питания (17) и коллектором входного n-p-n транзистора (4), а эмиттер второго выходного n-p-n транзистора (12) соединен через второй вспомогательный двухполюсник (18) с шиной отрицательного источника питания (19) и коллектором входного p-n-p транзистора (10), отличающийся тем, что в схему введены первый p-n-p (20) и второй n-p-n (21) составные транзисторы, коллекторы которых подключены к нагрузке (13), базы - к соответствующим источникам положительного (14) и отрицательного (15) напряжений смещения, причем эмиттер первого p-n-p составного транзистора (20) соединен с шиной положительного источника питания (17) через первый дополнительный двухполюсник (22) и подключен ко второму выводу второго токостабилизирующего двухполюсника (8), а эмиттер второго составного n-p-n транзистора (21) соединен с шиной отрицательного источника питания (19) через второй дополнительный двухполюсник (23) и подключен ко второму выводу первого токостабилизирующего двухполюсника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый составной p-n-p транзистор (20) выполнен в виде первого (24) и второго (25) вспомогательных p-n-p транзисторов, соответствующие эмиттеры и базы которых объединены друг с другом, причем коллектор первого вспомогательного транзистора (24) является коллекторным выводом первого составного p-n-p транзистора (20), а коллектор второго вспомогательного транзистора (25) подключен к шине отрицательного источника питания (19), второй составной n-p-n транзистор (21) выполнен в виде первого (26) и второго (27) вспомогательных n-p-n транзисторов, соответствующие эмиттеры и базы которых объединены друг с другом, причем коллектор первого вспомогательного n-p-n транзистора (26) является коллекторным выводом второго составного n-p-n транзистора (21), а коллектор второго вспомогательного транзистора (27) подключен к шине положительного источника питания (19).