Широкополосный дифференциальный усилитель



Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель
Широкополосный дифференциальный усилитель

 


Владельцы патента RU 2419196:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи для усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, сумматоров двух сигналов, логарифмирующих каскадов и т.п.). Технический результат: создание простого сверхширокополосного аналогового преобразователя дифференциальных сигналов в недифференциальный сигнал, обеспечение стабильных единичных значений коэффициентов усиления по напряжению Ку1=-1, Ку2=-1 относительно иизкоомного выхода широкополосного дифференциального усилителя (ШДУ) и при высокой стабильности нуля ШДУ в диапазоне температур и радиационных воздействий. ШДУ содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов (Т), а также базами первого (6) и второго (7) выходных Т, первый (8) токостабилизирующий двухполюсник (ТД), включенный между шиной первого (9) источника питания (ИП) и объединенными базами первого Т(4) и второго Т (5), второй ТД (10), включенный между эмиттером второго Т (7) и шиной второго (11) ИП. Коллектор первого Т (6) соединен с базами первого Т (4) и второго Т (5), его эмиттер связан с общей шиной (12) первого (9) и второго (11) ИП, а коллекторы первого Т (4), второго Т (5), а также коллектор второго Т (7) связаны с шиной первого (9) ИП, причем выход ШДУ связан с эмиттером второго Т (7). 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, СВЧ-усилителях, сумматоров двух сигналов, логарифмирующих каскадов и т.п.),

В совремемнной микроэлектронике при построении систем на кристалле возникает необходимость применения широкополосных дифференциальных усилителей (ШДУ) с единичным коэффициентом усиления по напряжению |Ky|=1. При этом такие ШДУ должны быть как инвертирующими, так и неинвертирующими фазу входного сигнала, а их коэффициент усиления должен быть достаточно стабильным в широком диапазоне температур и напряжений источников питания. Предлагаемое изобретение относится к данному классу усилительных устройств.

Известны схемы широкополосных двухкаскадных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе логарифмирующих p-n-переходов - так называемые ячейки Джильберта [1-18].

Наиболее близким но технической сущности к заявляемому устройству является широкополосный дифференциальный усилитель фиг.1, рассмотренный в патенте США № 5.521.544. Эта же схема присутствует в патентах |2-18|. Однако данные структуры ШДУ не обеспечивают преобразование симметричного дифференциального входного сигнала к несимметричному иизкоомному выходу, имеющему в статическом режиме нулевой потенциал, т.е. выходу, согласованному с общей шиной источников питания. Это затрудняет последовательное каскадирование таких ШДУ, их практическое использование в разных устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также согласование по выходу с другими функциональными узлами РЭА.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании простого сверхширокополосного аналогового преобразователя дифференциальных сигналов в недифференциальный сигнал, обеспечении стабильных единичных значений коэффициентов усиления по напряжению Ky1=-1, Ky2=-1 относительно низкоомного выхода ШДУ при высокой стабильности нуля ШДУ в диапазоне температур и радиационных воздействий.

Устройство с такими характеристиками может послужить основой для построения различных функциональных узлов систем на кристалле и IP-модулей - логарифматоров, перемножителей напряжения, фильтров, простейших СВЧ операционных усилителей, стабилизаторов напряжения и т.п.

Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, а также базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной первого 9 источника питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, второй токостабилизирующий двухполюсник 10, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и шиной второго 11 источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 6 выходного транзистора соединен с базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, его эмиттер связан с общей шиной 12 первого 9 и второго 11 источников питания, а коллекторы первого 4, второго 5 вспомогательных транзисторов, а также коллектор второго 7 выходного транзистора связаны с шиной первого 9 источника питания, причем выход широкополосного дифференциального усилителя связан с эмиттером второго 7 выходного транзистора.

На фиг.1 представлена схема ШДУ-прототипа.

На фиг.2 представлена схема заявляемого ШДУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На фиг.3 приведена схема ШДУ, соответствующая п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 показана схема фиг, 2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IНР, а на чертеже фиг.5 - зависимость выходного напряжения ШДУ от входного напряжения при разных значениях сопротивлений резистора R15=R0. Анализ графика фиг.5 показывает, что при R15=R0=0 заявляемый ШДУ обеспечивает линейное усиление сигнала с амплитудой до 200-250 мВ.

На фиг.6 приведены амплитудно-частотные характеристики ШДУ фиг.4 при подаче сигнала на входы in2 и in1, т.е. в инвертирующем и неинвертирующем включении. Анализ данных графиков показывает, что заявляемый ШДУ обеспечивает единичное усиление сигналов до частоты 35-38 ГГц. При этом сигнал со входа 1 инвертируется по фазе, а со входа 2 - не инвертируется.

График фиг.7 показывает фазовые соотношения входного и выходного напряжений для инвертирующего включения ШДУ фиг.4. Из его рассмотрения следует, что ШДУ фиг.4 обеспечивает инверсию входного сигнала на 180° при единичном коэффициенте усиления.

Фиг.8 иллюстрирует зависимость напряжения смещения нуля ШДУ фиг.3 от температуры. Из данного графика следует, что напряжение смещения нуля в диапазоне температур от -50°C до 75°C изменяется на 0,2 мкВ. т.е. отличается достаточно высокой стабильностью.

На фиг.9 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.10 - ее амплитудно-частотные характеристики при разных значениях сопротивлений резистора R15=R0. Из данных графиков следует, что предлагаемый ШДУ обеспечивает усиление около 20 дБ до частоты 17 ГГц.

Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, а также базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной первого 9 источника питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, второй токостабилизирующий двухполюсник 10, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и шиной второго 11 источника питания. Коллектор первого 6 выходного транзистора соединен с базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, его эмиттер связан с общей шиной 12 первого 9 и второго 11 источников питания, а коллекторы первого 4, второго 5 вспомогательных транзисторов, а также коллектор второго 7 выходного транзистора связаны с шиной первого 9 источника питания, причем выход широкополосного дифференциального усилителя связан с эмиттером второго 7 выходного транзистора. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 13, 14 и двухполюсниках 15, 16 и 17.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 и второй 3 токовые выходы входного дифференциального каскада 1 связаны с эмиттерами соответствующих первого 4 и второю 5 выходных транзисторов через соответствующие первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

В статическом режиме при пулевом uвх=0 в узлах 2 и 3 протекают одинаковые токи I2 и I3. Выходное напряжение ШДУ определяется напряжениями на эмиттерно-базовых переходах транзисторов 7, 5, 4, 6:

где

Uxx - напряжение на эмиттерно-базовом p-n-переходе i-го транзистора при эмиттерном токе Iэi=Ixx.

Учитывая, что все транзисторы идентичны, а также то, что эмиттерные токи транзисторов 6 и 7 одинаковы и не изменяются при изменении uвх, из уравнения (1) находим

Для входного дифференциального каскада 1

где R15 - сопротивление двухполюсника 15.

Таким образом, в широком диапазоне изменения uвх, выходное напряжение ШДУ фиг.2

где Uгр≈I0R15+2φт.

Функция (5) может быть представлена в виде ряда Тейлора:

Таким образом, при небольших (uвх<200 мВ) выходное напряжение ШДУ фиг.2 пропорционально входному напряжению uвх. Если R15=0, то uвых=uвх, то есть ШДУ обеспечивает неинвертирующее единичное усиление.

Если входное напряжение подается на второй вход Вх.2, то ШДУ фиг.2 инвертирует фазу сигнала в широком диапазоне частот: uвых=-uвх.

Данные выводы подтверждаются графиками фиг.6.

Для схемы фиг.3 коэффициент усиления по напряжению зависит от сопротивления дополнительных резисторов 18 и 19:

где rэ13=rэ14 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 13 и 14.

Таким образом, в схеме фиг.3 обеспечивается преобразование входного дифференциального сигнала в выходной недифференциальный сигнал, формирующийся на низкоомном выходе. Это важное свойство схемы фиг.3, которое существенно расширяет области ее практического использования. Действительно, широкое применение СВЧ дифференциальных сигналов в современной микроэлектронике позволяет снизить влияние синфазных помех, нелинейных искажений четного порядка, повысить качество обработки сигналов при низких значениях напряжения питания. Применение дифференциальных сигналов всегда сопровождается необходимостью преобразования их в однофазный сигнал и обратно, так как большинство периферийных устройств могут работать лишь с однофазными сигналами. Заявляемое устройство выполняет эти функции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США № 5.521.544, fig.6.

2. Патент США № 6.111,463, fig.1.

3. Патент США № 4.572.975, fig.1.

4. Патент США № 5.550.512, fig.3.

5. Патент США № 5.115.409, fig.1.

6. Патент США № 4.439.696, fig.2.

7. Патент США № 5.883.539, fig.2.

8. Патент США № 4.288.707.

9. Патент США № 5.774.020, fig.1.

10. Патент США № 5.677.646.

11. Патент США № 5.039.952, fig.5.

12. Патент США № 5.734.294, fig.4.

13. Патент США № 5.886.916, fig.1.

14. Патент США № 6.369.618, fig.2.

15. Патентная заявка США № 2002/0053935, fig.4.

16. Патентная заявка США № 2004/0251965, fig.5.

17. Патентная заявка США № 2004/0032298, fig.1.

18. Патент WO 2002/071597.

1. Широкополосный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов, а также базами первого (6) и второго (7) выходных транзисторов, первый (8) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной первого (9) источника питания и объединенными базами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов, второй токостабилизирующий двухполюсник (10), включенный между эмиттером второго (7) выходного транзистора и шиной второго (11) источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (6) выходного транзистора соединен с базами первого (4) и второго (5) вспомогательных транзисторов, его эмиттер связан с общей шиной (12) первого (9) и второго (11) источников питания, а коллекторы первого (4), второго (5) вспомогательных транзисторов, а также коллектор второго (7) выходного транзистора связаны с шиной первого (9) источника питания, причем выход широкополосного дифференциального усилителя связан с эмиттером второго (7) выходного транзистора.

2. Широкополосный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (2) и второй (3) токовые выходы входного дифференциального каскада (1) связаны с эмиттерами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов через соответствующие первый (18) и второй (19) дополнительные резисторы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, смесителях сигналов и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи для усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ-усилителях, фазорасщепителях сигналов и т.п.).

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, СВЧ операционных усилителях, компараторах).

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, компараторах).

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, компараторах).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи, по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления.

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, прецизионных решающих и операционных усилителях с малыми значениями э.д.с.

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, СВЧ операционных усилителях, компараторах, буферных усилителях и т.п.)

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, в решающих усилителях с малыми значениями напряжения смещения нуля UCM в условиях воздействия радиации или температуры)

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых дифференциальных сигналов в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, драйверов компьютерных линий связи)

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, компараторах)

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, СВЧ-усилителях, фазорасщепителях сигналов и т.п.)

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, стабилизаторах напряжения и т.п.)

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры)

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, в аналоговых интерфейсах с малыми значениями напряжения смещения нуля Uсм в условиях воздействия радиации или температуры)

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, изготавливаемых по технологическому процессу SGB25VD)

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях (У) и компараторах)
Наверх