Дифференциальный усилитель переменного тока



Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока
Дифференциальный усилитель переменного тока

 


Владельцы патента RU 2422981:

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

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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов. Дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым (2), вторым (3) токовыми выходами входного дифференциального каскада (1) и первой (6) шиной источника питания, первое (7) и второе (8) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй (9) шиной источника питания, вход первого (7) токового зеркала соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом первого (10) двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго (8) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом второго (11) двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого (10) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через первый (12) дополнительный резистор и через первый (13) разделительный конденсатор связан со входом второго (8) токового зеркала, а второй вывод второго (11) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через второй (14) дополнительный резистор и через второй (15) разделительный конденсатор соединен со входом первого (7) токового зеркала. 4 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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).

В современной микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители переменного тока (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал (ТЗ), которые позволяют получить высокий коэффициент усиления. Особое место в этом классе ДУ занимают несимметричные [1-3] и симметричные [4] схемы на основе так называемого «перегнутого» включения токовых зеркал, которые могут быть реализованы только на n-р-n-транзисторах, либо с применением некачественных р-n-р-транзисторов в структуре токостабилизирующих двухполюсников. В связи с широким внедрением в России и других странах мира SiGe технологии SG25VD, не допускающей применение р-n-р активных элементов, совершенствование схемотехники рассматриваемого класса устройств представляет собой достаточно актуальную задачу.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель в устройстве по заявке US 2004/0008085, fig.5.

Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-3], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Еп), характерных для SiGe технологических процессов (Еп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим (Куmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Еп не могут выбираться высокоомными.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе переменного тока (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.4 представлена схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.

График фиг.4 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Ку) ДУ (фиг.3) при разных значениях емкости разделительных конденсаторов С130151=υar.

Дифференциальный усилитель переменного тока (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и источнике тока 18.

Первое 7 токовое зеркало реализовано на основе транзистора 19 и р-n-перехода 20, второе 8 токовое зеркало включает транзистор 21 и р-n-переход 22.

Статический режим ДУ (фиг.2) устанавливается источником тока 18, а также токостабилизирующими двухполюсниками 4 и 5.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.

Предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» при емкостях разделительных конденсаторов 13 (С13) и 15 (C15), равных нулю и R10>>R12, R11>>R14, определяется сопротивлением первого 10 резистора коллекторной нагрузки:

где S1-2≈(rэ16+rэ17)-1 - крутизна усиления ДУ в режиме короткого замыкания по его выходу «Вых.1», зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (rэ16, rэ17) транзисторов 16 и 17.

Более высокие значения Ку в диапазоне средних частот, когда влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 на Ку можно пренебречь, реализуются в схеме фиг.2 при С1315≠0.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса в цепи первого выхода устройства (узел В); - комплексная крутизна ДУ в режиме короткого замыкания его первого выхода.

Комплекс эквивалентной нагрузки можно найти по формуле:

где - выходной ток узла «В» в классическом режиме определения выходного сопротивления электронной подсхемы.

Причем

,

- комплексы входного и выходного токов первого 7 токового зеркала;

, - комплексы токов через двухполюсники 10 и 11;

- комплекс импеданса второго 15 разделительного конденсатора;

, rвх.7 - коэффициент передачи по току первого 7 токового зеркала и его входное сопротивление.

После преобразований последней формулы с учетом симметрии схемы (uвых.1=uвых.2=uвых) находим, что

Поэтому комплекс коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.2

или при :

где - коэффициент усиления ДУ-прототипа.

Таким образом, выигрыш по Ку, который дает схема ДУ фиг.2 в сравнении с прототипом фиг.1:

В области средних частот, когда можно пренебречь влиянием емкостей конденсаторов 13 и 15 на и :

Из уравнения (8) следует ряд важных выводов:

1. Во-первых, эффективность по Ку предлагаемого схемотехнического решения фиг.2 зависит от параметров: Кi7, R10/R11, rвх.7/R14.

2. Во-вторых, для получения максимального выигрыша по Ку необходимо выбирать:

В этом случае .

График фиг.4, полученный в результате моделирования схемы фиг.3 в среде Cadence, показывает, что выигрыш по Ку в диапазоне средних частот, в котором влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 (C15=C13=C1=C0) можно пренебречь, достигает 16 дБ (т.е. почти десять раз).

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ-устройствах, реализуемых по внедряемому в России техпроцессу SG25VD, не допускающему применение р-n-р-транзисторов.

Источники информации

1. Патент США №4.418.290 fig.10.

2. Патент США №5.376.897.

3. Патент США №4.366.445.

4. Патентная заявка США 2004/0008085.

Дифференциальный усилитель переменного тока, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым (2), вторым (3) токовыми выходами входного дифференциального каскада (1) и первой (6) шиной источника питания, первое (7) и второе (8) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй (9) шиной источника питания, вход первого (7) токового зеркала соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом первого (10) двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго (8) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а его токовый выход связан с первым выводом второго (11) двухполюсника нагрузки, отличающийся тем, что второй вывод первого (10) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через первый (12) дополнительный резистор и через первый (13) разделительный конденсатор связан со входом второго (8) токового зеркала, а второй вывод второго (11) двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой (6) шиной источника питания через второй (14) дополнительный резистор и через второй (15) разделительный конденсатор соединен со входом первого (7) токового зеркала.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, 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 для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения: (например, ВЧ- и СВЧ-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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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, различных аналогово-цифровых интерфейсах и т.п.).

Изобретение относится к радиотехнике и связи для усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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 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, ВЧ и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного (функционального назначения (например, широкополосных усилителях, видеоусилителях 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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов)

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 с повышенным коэффициентом усиления по напряжению и малым смещением нуля)

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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов)

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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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-решающих усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения 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, ВЧ и СВЧ-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, ВЧ и СВЧ-усилителях, фильтрах, драйверах линий связи 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, прецизионных операционных усилителях, стабилизаторах напряжения, 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, решающих усилителях (ОУ), компараторах и т.п.)
Наверх