Каскодный 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)). Технический результат заключается в повышении предельного коэффициента усиления по напряжению. Каскодный усилитель (КУ) содержит первый входной транзистор (Т) (1), эмиттер которого соединен с первым входом (2) КУ и первым вспомогательным резистором (Р) (3), первый двухполюсник нагрузки (4), который соединен с коллектором Т (1) и первым выходом (5) КУ, второй вспомогательный Т (6), эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным Р (7), база подключена к базе Т (1), а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки (8). В схему введен дополнительный дифференциальный каскад (9), неинвертирующий вход которого подключен к коллектору Т (6) и второму двухполюснику нагрузки (8), инвертирующий вход связан с выходом 5 КУ, а выход подключен к базам Т (1) и Т (6). 4 з.п. ф-лы, 18 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 каскодных усилителей (КУ) на n-р-n (р-n-р) транзисторах, которые стали основой схемотехники более чем 20 серийных ОУ, 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 100 патентов в различных странах. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Одной из модификаций каскодных усилителей (КУ) является схема фиг.1, представленная в публикациях [1-12]. Она используется в ОУ ряда зарубежных фирм (НА2539, ОР-90, ОР-42), а также в отечественных микросхемах 140УД30.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный усилитель, описанный в патенте США №6542030, содержащий первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий предельный коэффициент усиления по напряжению K_у.max.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении предельного коэффициента усиления по напряжению K_у.max.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный дифференциальный каскад 9, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору второго входного транзистора 6 и второму двухполюснику нагрузки 8, инвертирующий вход 4 связан с выходом каскодного усилителя 5, а выход подключен к базам первого 1 и второго 6 входных транзисторов.

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

На фиг.3 и 4 показаны частные варианты построения дополнительного дифференциального каскада 9, соответствующие п.2 и п.3 формулы изобретения.

На фиг.5 представлен КУ, соответствующий п.4 формулы изобретения.

На фиг.6 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ для случая, когда дополнительный дифференциальный каскад 9 выполнен на основе фиг.3 (п.2 формулы изобретения).

На фиг.7 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ для случая, когда дополнительный дифференциальный каскад 9 выполнен на основе фиг.4 (п.3 формулы изобретения).

На фиг.8 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ, соответствующего структурной схеме фиг.5 (п.4 формулы изобретения).

На фиг.9 и 10 показаны схемы операционного усилителя на основе известного КУ-прототипа (фиг.9) и предлагаемого КУ (фиг.10) в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.11 представлены результаты их компьютерного моделирования.

На фиг.12 показана схема операционного усилителя, соответствующего фиг.7 в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.13 представлены результаты компьютерного моделирования данной схемы, а также схемы КУ-прототипа фиг.9.

На фиг.14 и 15 показаны схемы предлагаемого (фиг.14) и известного (фиг.15) КУ в структуре операционных усилителей для случая, когда в качестве двухполюсников нагрузки 4 и 8 используются резисторы, а на фиг.16 представлены сравнительные результаты их компьютерного моделирования.

На фиг.17 представлена схема одного из вариантов предлагаемого (фиг.8) КУ в структуре операционного усилителя в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.18 представлены результаты расчета амплитудно-частотных характеристик сравниваемых КУ.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8. В схему введен дополнительный дифференциальный каскад 9, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору второго входного транзистора 6 и второму двухполюснику нагрузки 8, инвертирующий вход связан с выходом каскодного усилителя 5, а выход подключен к базам первого 1 и второго 6 входных транзисторов.

В частном случае на фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе первого дополнительного транзистора 10, коллектор которого является выходом дополнительного дифференциального каскада, эмиттер - неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а база - инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада.

На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе второго 11 и третьего 12 дополнительных транзисторов, объединенные эмиттеры которых подключены к источнику опорного тока 13, причем база второго дополнительного транзистора является неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, база третьего дополнительного транзистора 12 является инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а коллектор третьего дополнительного транзистора 12 - выходом дополнительного дифференциального каскада.

На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения инвертирующий вход дополнительного дифференциального каскада 1 связан с выходом 5 каскодного усилителя через дополнительный буферный усилитель 14, выход которого 15 является вспомогательным выходом расходного усилителя.

На фиг.6, 7 и 8, которые иллюстрируют применение предлагаемого КУ в схемах различных операционных усилителей, ко входам 2 и 16 КУ подключен входной дифференциальный каскад на транзисторах 17, 18 и источнике тока 19.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ.

Коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа фиг.1 зависит от величины эквивалентной выходной проводимости у_э узла 5:

где - крутизна усиления сигнала со входа 2 КУ на выход 5 при коротком замыкании по выходу.

Проводимость у_э складывается из трех составляющих (фиг.1) - выходной проводимости транзистора 1 (у₁), выходной проводимости двухполюсника нагрузки (у₄), обеспечивающего статический режим транзистора 1, и проводимости собственной нагрузки у_н:

При высокоомной нагрузке (у_н=0) и типовом построении двухполюсника нагрузки 4 на современных (например, SiGe) транзисторах с малым напряжением Эрли преобладает составляющая у₄, так как при R₃>>ϕ_т/I_э1 выполняется условие у₄>>y₁, где ϕ_т=26 мВ - температурный потенциал, I_э1 - статический ток эмиттера транзистора 1, R3 - сопротивление резистора 3. Поэтому в данных условиях предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа

В заявляемом устройстве фиг.2 обеспечивается взаимная компенсация в узле 5 двух идентичных проводимостей у₄ и у₈ двухполюсников нагрузки 4 и 8. Действительно, изменение выходного напряжения в узле 5 на величину u_вых=u₅ передается (с единичным коэффициентом усиления по напряжению) в коллектор транзистора 6 (), что порождает в схеме фиг.2 появление токов

При идентичных сопротивлениях резисторов 3 и 7 (R3=R7) приращение тока i₈ за счет отрицательной обратной связи по петле «усилитель 9 - транзистор 6» передается в коллектор транзистора 6 (i_к6≈i₈) и создает затем в коллекторной цепи транзистора 1 приращение тока i_к1≈i₈, которое компенсирует приращение тока i₄ через выходную проводимость у₄:

где K_i≈1 - коэффициент передачи по току i₈ от вывода коллектора транзистора 6 на выход 5 КУ.

В результате в узле 5 суммарное приращение тока уменьшается

Или после преобразований формулы (7)

Таким образом, эффективное значение выходной проводимости двухполюсника 4

где K_i≈1;

К_Y=у₈/у₄≈1 - коэффициент асимметрии выходных проводимостей двухполюсников нагрузки 4 и 8.

Так как двухполюсники нагрузки 4 и 8 выполняются идентичными, то K_Y≈1. Поэтому выигрыш по предельному коэффициенту усиления, который реализуется в заявленной схеме при данных ограничениях на у_н и у₁, достигает значений N_к>>1, где

В этих условиях предельные значения К_у.max в схеме фиг.2 ограничивается величиной

где у_н - проводимость нагрузки, y₁ - выходная проводимость транзистора 1. Однако при рациональном выборе параметров элементов у₄, у_н, у₁ и у₈ в предлагаемой схеме обеспечивается дальнейшее повышение K_у.max.

Действительно, первая существенная особенность предлагаемого КУ состоит в том, что в нем обеспечивается взаимная компенсация не только выходных проводимостей двухполюсников нагрузки 8 и 4, но и выходных проводимостей транзисторов 1 и 6, а также выходной проводимости у_н, подключаемой к выходному узлу 5.

Общее условие минимизации влияния у_н, у₁, у₄ на К_у.max имеет следующий вид:

где - проводимость дополнительной нагрузки (эквивалента у_н), специально подключаемой к коллектору транзистора 6 для минимизации влияния у_н на К_у.max.

Учитывая, что у₈=у₄, у₁=у₆, , в схеме фиг.2 обеспечивается полная компенсация всех паразитных импедансов, определяющих предельный коэффициент усиления К_у.

Вторая существенная особенность КУ фиг.4 - возможность применения резисторов в качестве двухполюсников 4 и 8 (фиг.14).

Третья существенная особенность предлагаемого КУ - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 6 по напряжению коллектор-базы. В сравнении с прототипом и другими известными схемами КУ это существенно уменьшает э.д.с. смещения нуля ОУ на его основе.

Четвертая существенная особенность заявляемого КУ - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 6 по величине коллекторного тока. Это обеспечивается, например, применением в качестве подсхемы 9 дифференциального каскада фиг.4 с одинаковыми токами базы входных транзисторов. В целом это уменьшает статические погрешности ОУ на основе предлагаемого устройства.

Источники информации

1. Патент США №4600893.

2. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.243-244.

3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М., «Радио и связь», 1989.

4. Патент США №6456162.

5. Патент США №6501333.

6. Патент США №6542030.

7. Патент США №4293824.

8. Патент США №5734296.

9. Патент США №5420540.

10. Патент США №5523718.

11. Патент США №4644295.

12. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. - М., Радиософт, 2002. - С.87, рис.5.20, 5.21.

1. Каскодный усилитель, содержащий первый входной транзистор (1), эмиттер которого соединен с первым входом (2) каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором (3), первый двухполюсник нагрузки (4), который соединен с коллектором первого входного транзистора (1) и первым выходом (5) каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор (6), эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором (7), база подключена к базе первого входного транзистора (1), а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки (8), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный дифференциальный каскад (9), неинвертирующий вход которого подключен к коллектору второго входного транзистора (6) и второму двухполюснику нагрузки (8), инвертирующий вход связан с выходом каскодного усилителя (5), а выход подключен к базам первого (1) и второго (6) входных транзисторов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе первого дополнительного транзистора (10), коллектор которого является выходом дополнительного дифференциального каскада, эмиттер - неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а база - инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе второго (11) и третьего (12) дополнительных транзисторов, объединенные эмиттеры которых подключены к источнику опорного тока (13), причем база второго дополнительного транзистора является неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, база третьего дополнительного транзистора (12) является инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а коллектор третьего дополнительного транзистора (12) - выходом дополнительного дифференциального каскада.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что инвертирующий вход дополнительного дифференциального каскада (1) связан с выходом (5) каскодного усилителя (5) через дополнительный буферный усилитель (14), выход которого (15) является вспомогательным выходом каскодного усилителя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что эмиттер второго входного транзистора (6) используется как второй вход (16) каскодного усилителя.