Каскодный дифференциальный усилитель

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), компараторах). Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Каскодный дифференциальный усилитель (КДУ) содержит входной параллельно-балансный каскад (1) с дифференциальными входами (2, 3), первый, второй, третий и четвертый выходные транзисторы (Т) (4-7), базы которых объединены. Объединенные эмиттеры выходных Т (4, 5) соединены с первым выходом (8) каскада (1) и через первый токостабилизирующий двухполюсник (ТД) (9) связаны с шиной (10) первого источника питания (ИП), объединенные эмиттеры Т (6, 7) соединены со вторым выходом (11) каскада (1) и через второй ТД (12) связаны с шиной (10). Между коллекторами Т (5, 6) и шиной (15) второго ИП включена цепь (16) нагрузки. В схему введен дополнительный Т (17), база которого соединена с шиной (18) источника напряжения смещения, коллектор подключен к объединенным базам Т (4-7), а эмиттер соединен с объединенными коллекторами Т (4, 7) и через дополнительный ТД (19) связан с шиной (15) второго ИП, причем в качестве первого и второго ТД (9, 12) используются резисторы. 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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Известны схемы так называемых «перегнутых» каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-р-n и р-n-р транзисторах [1-35], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 200 патентов для ведущих производителей микроэлектронных изделий. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный дифференциальный усилитель (КДУ), описанный в патенте США №4390850, содержащий входной параллельно-балансный каскад 1 с дифференциальными входами 2 и 3, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы, базы которых объединены, причем объединенные эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов соединены с первым 8 выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 связаны с шиной первого источника питания 10, объединенные эмиттеры третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов соединены со вторым выходом 11 входного параллельно-балансного каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связаны с шиной первого 10 источника питания, причем между коллекторами 13 и 14 второго 5 и третьего 6 выходных транзисторов и шиной второго источника питания 15 включена цепь нагрузки 16.

Существенный недостаток известного КДУ (фиг.1) состоит в том, что он имеет сравнительно небольшой коэффициент ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф), что отрицательно сказывается на погрешностях неинвертирующих решающих усилителей и компараторов на его основе. В значительной степени данный недостаток проявляется при установлении статического режима входного параллельно-балансного каскада с помощью токостабилизирующего резистора R₀ (фиг.1).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала при выполнении токостабилизирующих двухполюсников 9 и 12 в виде резисторов. В этом случае в схеме реализуются предельные значения диапазона изменения входного синфазного сигнала, недостижимые при других вариантах их построения. Причем повышение К_ос.сф обеспечивается с достаточно широкой гаммой входных параллельно-балансных каскадов (как на биполярных, так и на полевых транзисторах, с транзисторными источниками тока и без транзисторных источников тока, по схеме дифференциальных преобразователей «напряжение-ток» и т.д.).

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 с дифференциальными входами 2 и 3, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы, базы которых объединены, причем объединенные эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов соединены с первым 8 выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 связаны с шиной первого источника питания 10, объединенные эмиттеры третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов соединены со вторым выходом 11 входного параллельно-балансного каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связаны с шиной первого 10 источника питания, причем между коллекторами 13 и 14 второго 5 и третьего 6 выходных транзисторов и шиной второго источника питания 15 включена цепь нагрузки 16, предусмотрены новые связи - в схему введен дополнительный транзистор 17, база которого соединена с шиной источника напряжения смещения 18, коллектор подключен к объединенным базам первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, а эмиттер соединен с объединенными коллекторами первого 4 и четвертого 7 выходных транзисторов и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 19 связан с шиной второго источника питания 15, причем в качестве первого 9 и второго 12 токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы.

Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения. На фиг.3 показан ДУ, соответствующий фиг.2 для случая, когда в роли шины источника напряжения смещения 18 используется общая шина.

На фиг.4 показан пример построения двухтактного дифференциального усилителя на основе КДУ фиг.2.

На фиг.5 и фиг.6 показаны схемы известного (фиг.5) и заявляемого (фиг.6) устройств в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.7 - частотная зависимость коэффициента ослабления входных синфазных сигналов К_ос.сф сравниваемых КДУ.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1 с дифференциальными входами 2 и 3, первый 4, второй 5, третий 6 и четвертый 7 выходные транзисторы, базы которых объединены, причем объединенные эмиттеры первого 4 и второго 5 выходных транзисторов соединены с первым 8 выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через первый токостабилизирующий двухполюсник 9 связаны с шиной первого источника питания 10, объединенные эмиттеры третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов соединены со вторым выходом 11 входного параллельно-балансного каскада 1 и через второй токостабилизирующий двухполюсник 12 связаны с шиной первого 10 источника питания, причем между коллекторами 13 и 14 второго 5 и третьего 6 выходных транзисторов и шиной второго источника питания 15 включена цепь нагрузки 16. В схему введен дополнительный транзистор 17, база которого соединена с шиной источника напряжения смещения 18, коллектор подключен к объединенным базам первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, а эмиттер соединен с объединенными коллекторами первого 4 и четвертого 7 выходных транзисторов и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 19 связан с шиной второго источника питания 15, причем в качестве первого 9 и второго 12 токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы.

В схеме фиг.3 цепь нагрузки выполнена на основе источника опорного тока.

В схеме фиг.4 используется два КДУ, соответствующих формуле изобретения, но реализованных на разнотипных транзисторах. Поэтому цифровые обозначения симметричной схемы КДУ на фиг.4 имеют такую же нумерацию, что и в схеме фиг.2.

Рассмотрим работу заявляемого каскодного дифференциального усилителя на примере анализа схемы фиг.2.

В заявляемом устройстве фиг.2 при наличии синфазной составляющей сигналов u_c2=u_c3=u_с изменяется ток в общей эмиттерной цепи выходного каскада 1 и токи в цепи выходов 8 и 11:

где у₀=R₀ ^-1 - эквивалентная проводимость в общей эмиттерной цепи входного каскада 1.

Для токов эмиттера, коллектора и базы транзисторов 4-7 справедливы следующие соотношения:

где β₁>>1 - статический коэффициент усиления по току базы i-го транзистора.

Из формул (3)÷(11) следует важный вывод о том, что все токи транзисторов 4-7 в схеме фиг.2 определяются током через двухполюсник 19 и не зависят от сопротивлений резисторов 9 и 12 и выходных токов I₈, i₈, I₁₁, i₁₁ входного каскада 1, где I₈, I₁₁, i₈, i₉ - статические значения выходных токов входного каскада 1 и их приращения. При этом для схемы фиг.2 ток через двухполюсник 19

где Е_c - напряжение источника смещения 18;

U_эб=0,7 В - напряжение эмиттер-база транзистора 17.

Для схемы фиг.3 ток I₁₉ не зависит от Е_c и U_эб.

При этом падение напряжения на резисторах 9 и 12 рекомендуется выбирать в пределах

Проведенный анализ показывает, что в заявляемой схеме приращения выходных токов i₈ и i₁₁ входного каскада 1, обусловленные синфазным сигналом на выходах 2 и 3 КДУ, не передаются на его выход. Причем

Из этого следует, что коэффициент передачи синфазного сигнала со входа КДУ на выход в заявляемой схеме существенно уменьшается

Так как коэффициент усиления по дифференциальному сигналу сравниваемых КДУ одинаков (К_у), то из этого следует, что в предлагаемой схеме К_ос.сф существенно улучшается, так как

Эти теоретические выводы подтверждают результаты компьютерного моделирования сравниваемых КДУ. В предлагаемой схеме К_ос.сф повышается на 70 дБ, то есть более чем в тысячу раз.

Литература

1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М. Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.

2. Патент США №6.218.900, фиг.1.

3. Патентная заявка US 2002/0196079.

4. Патент США №6.788.143.

5. Патент США №3.644.838, фиг.2.

6. Патент США Re 30.587.

7. Патент ЕР 1.227.580.

8. Патент США №6.714.076.

9. Патент США №5.786.729.

10. Патент США №5.327.100.

11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.

12. Патент США №4.274.061.

13. Патент США №5.422.600, фиг.2.

14. Патент США №6.788.143, фиг.2.

15. Патент США №4.959.622, фиг.1.

16. Патент США №4.406.990, фиг.4.

17. Патент США №5.418.491.

18. Патент США №6.018.268.

19. Патент США №5.952.882.

20. Патент США №4.723.111.

21. Патент США №4.293.824.

22. Патент США №6.580.325.

23. Патент США №6.965.266.

24. Патент США №6.867.643.

25. Патент США №6.236.270.

26. Патент США №5.323.121.

27. Патент США №6.229.394.

28. Патент США №5.734.296.

29. Патент США №5.477.190.

30. Патент США №5.091.701.

31. Патент США №6.717.474.

32. Патент США №6.084.475.

33. Патент США №3.733.559.

34. Патентная заявка US 2005/0001682 A1.

35. Патент США №6.300.831.

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной параллельно-балансный каскад с дифференциальными входами, первый, второй, третий и четвертый выходные транзисторы, базы которых объединены, причем объединенные эмиттеры первого и второго выходных транзисторов соединены с первым выходом входного параллельно-балансного каскада и через первый токостабилизирующий двухполюсник связаны с шиной первого источника питания, объединенные эмиттеры третьего и четвертого выходных транзисторов соединены со вторым выходом входного параллельно-балансного каскада и через второй токостабилизирующий двухполюсник связаны с шиной первого источника питания, причем между коллекторами второго и третьего выходных транзисторов и шиной второго источника питания включена цепь нагрузки, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор, база которого соединена с шиной источника напряжения смещения, коллектор подключен к объединенным базам первого, второго, третьего и четвертого выходных транзисторов, а эмиттер соединен с объединенными коллекторами первого и четвертого выходных транзисторов и через дополнительный токостабилизирующий двухполюсник связан с шиной второго источника питания, причем в качестве первого и второго токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы.