Каскодный дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией

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.). Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении на 1÷2 порядка коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот. Это позволяет при построении СФ-блоков систем связи исключить в ряде случаев дополнительные каскада усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями. Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго (5) выходного транзистора, первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первым выводом первого (6) корректирующего конденсатора и через первый (7) вспомогательный двухполюсник соединен с первой (8) шиной источника питания и эмиттером второго (5) выходного транзистора, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого (4) выходного транзистора и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (10) двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (11) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, третий (12) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого (13) выходного транзистора, вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первым выводом второго (14) корректирующего конденсатора и через второй (15) вспомогательный двухполюсник соединен с первой (8) шиной источника питания и эмиттером четвертого (13) выходного транзистора, второй (16) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего (12) выходного транзистора и коллектором четвертого (13) выходного транзистора, второй (17) двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым (18) выходом устройства и коллектором третьего (12) выходного транзистора. Второй вывод первого (10) двухполюсника нагрузки связан со второй (19) шиной источника питания через первый дополнительный резистор (20) и соединен со вторым выводом первого (6) корректирующего конденсатора, а второй вывод второго (17) двухполюсника нагрузки связан со второй (19) шиной источника питания через второй (21) дополнительный резистор и соединен со вторым выводом второго (14) корректирующего конденсатора. 4 ил.

 

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.).

В современной микроэлектронике находят широкое применение классические дифференциальные каскады на основе так называемых «перегнутых» каскодов с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходных транзисторов[1-6]. Для повышения коэффициента усиления по напряжению таких ДУ используются также активные нагрузки [7-10], реализованные на транзисторных источниках тока.

Наиболее близким но технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель (ДУ) с цепями емкостной ВЧ-коррекции по патенту US №6.924.701, fig. 5.

Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что его коэффициент передачи по напряжению (К_у) при низкоомной резистивной нагрузке и малом напряжении питания (Е_п=±2,5÷5 В) получается небольшим (К_у=10÷20).

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении на 1÷2 порядка коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот. Это позволяет при построении СФ-блоков систем связи исключить в ряде случаев дополнительные каскада усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе с высокочастотной коррекцией фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго 5 выходного транзистора, первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом первого 6 корректирующего конденсатора и через первый 7 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 10 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 11 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, третий 12 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого 13 выходного транзистора, вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом второго 14 корректирующего конденсатора и через второй 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером четвертого 13 выходного транзистора, второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего 12 выходного транзистора и коллектором четвертого 13 выходного транзистора, второй 17 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым 18 выходом устройства и коллектором третьего 12 выходного транзистора.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.

На фиг.4 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем при разных емкостях первого 6 и второго 14 корректирующих конденсаторов: С₆=С₁₄=С_n.

Каскодный дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго 5 выходного транзистора, первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом первого 6 корректирующего конденсатора и через первый 7 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 10 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 11 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, третий 12 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого 13 выходного транзистора, вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом второго 14 корректирующего конденсатора, и через второй 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером четвертого 13 выходного транзистора, второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего 12 выходного транзистора и коллектором четвертого 13 выходного транзистора, второй 17 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым 18 выходом устройства и коллектором третьего 12 выходного транзистора. Второй вывод первого 10 двухполюсника нагрузки связан со второй 19 шиной источника питания через первый дополнительный резистор 20 и соединен со вторым выводом первого 6 корректирующего конденсатора, а второй вывод второго 17 двухполюсника нагрузки связан со второй 19 шиной источника питания через второй 21 дополнительный резистор и соединен со вторым выводом второго 14 корректирующего конденсатора. В частном случае (фиг.2) входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 22, 23 и источнике тока 24.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

В рабочем диапазоне частот предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ при емкости первого 6 корректирующего конденсатора, равной нулю (С₆=0), определяется сопротивлением первого 10(R₁₀>>R₂₀) двухполюсника коллекторной нагрузки:

где - крутизна усиления входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания по первому 11 выходу, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (r_э22, r_э23) транзисторов 22 и 23.

Покажем аналитически, что более высокие значения К_у в диапазоне средних частот, когда можно пренебречь влиянием паразитных и корректирующих конденсаторов, реализуются в схеме фиг.2 при С₆≠0.

Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ фиг.2 по выходу 11 определяется по формуле:

где - комплекс эквивалентного выходного импеданса по первому 11 выходу ДУ;

- комплексная крутизна входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания его первого 11 выхода. Комплекс эквивалентной нагрузки можно найти по формуле:

где ,

- комплекс импеданса первого 6 корректирующего конденсатора;

- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера первого 4 выходного транзистора.

После преобразований последней формулы находим, что

Поэтому комплексный коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2, в широком диапазоне частот при C₆≠0:

Если положить, что транзистор 4 достаточно высокочастотный , то:

В диапазоне низких частот, когда ω→0:

В рабочем диапазоне частот, когда влиянием первого 6 корректирующего конденсатора можно пренебречь:

Таким образом, выигрыш по К_у, который дает ДУ фиг.2 в сравнении с ДУ-прототипом:

Если ω=0, то . В области средних и высоких частот (когда ω→∞):

График фиг.4 показывает, что выигрыш по К_у в диапазоне средних частот, зависящем от численных значений емкостей коррекции 6 и 14, достигает 30-35 дБ, т.е. более чем в 10 раз. Это существенное преимущество заявляемого устройства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4.406.990, fig.4.

2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст}/ П.Шкритек. - Издательство «Мир», 1991, - с.71, рис.5.8.2.

3. Патент США №4.600.893, fig.5.

4. Патент США №3.579.134.

5. Патент США. №.4.151.483, fig.4.

6. Патент США №.4.151.484, fig.4.

7. Патент США №4.390.850.

8. Патент США. №6.448.853, fig.4.

9. Патент США №6.710.654. fig.1-3.

10. Патентная заявка США 2003/0090321, fig.3.

Каскодный дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго (5) выходного транзистора, первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первым выводом первого (6) корректирующего конденсатора и через первый (7) вспомогательный двухполюсник соединен с первой (8) тиной источника питания и эмиттером второго (5) выходного транзистора, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого (4) выходного транзистора и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (10) двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (11) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, третий (12) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого (13) выходного транзистора, вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первым выводом второго (14) корректирующего конденсатора и через второй (15) вспомогательный двухполюсник соединен с первой (8) тиной источника питания и эмиттером четвертого (13) выходного транзистора, второй (16) токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего (12) выходного транзистора и коллектором четвертого (13) выходного транзистора, второй (17) двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым (18) выходом устройства и коллектором третьего (12) выходного транзистора, отличающийся тем, что второй вывод первого (10) двухполюсника нагрузки связан со второй (19) шиной источника питания через первый дополнительный резистор (20) и соединен со вторым выводом первого (6) корректирующего конденсатора, а второй вывод второго (17) двухполюсника нагрузки связан со второй (19) шиной источника питания через второй (21) дополнительный резистор и соединен со вторым выводом второго (14) корректирующего конденсатора.