Каскодный дифференциальный усилитель



Каскодный дифференциальный усилитель
Каскодный дифференциальный усилитель
Каскодный дифференциальный усилитель
Каскодный дифференциальный усилитель
Каскодный дифференциальный усилитель
Каскодный дифференциальный усилитель

 


Владельцы патента RU 2439780:

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. Технический результат заключается в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании. Каскодный дифференциальный усилитель содержит первый и второй входные транзисторы, первый и второй дополнительные входные транзисторы, с первого по четвертый вспомогательные транзисторы, с первого по четвертый стабилизирующие двухполюсники, первый и второй резисторы коллекторной нагрузки, первый и второй выходные транзисторы. 2 з.п. ф-лы, 6 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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные операционные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов и выходными эмиттерными повторителями [1-13]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для новых технологий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту US 6.262.628, fig.14В (или US 5.568.092, fig.1).

Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Eп), характерных для SiGe технологических процессов (Eп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Kу) получается небольшим (Kуmax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Eп не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения Kу применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения UДН=0,8÷1,6 В между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения UДН равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:

где UЭрли - напряжение Эрли выходного p-n-p транзистора ДН;

Iэ=I0 - статический ток эмиттера p-n-p выходного транзистора ДН.

Для интегральных транзисторов UЭрли=20÷30 В. Следовательно, при I0=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения Kу. Более высокие выходные сопротивления RДН реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Uэб≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-p транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение p-n-p транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.

Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.5 - заявляемого КДУ (фиг.2).

График фиг.6 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Kу) сравниваемых КДУ фиг.4 и 5.

Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания. В схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора используется составной транзистор, содержащий биполярный транзистор 21, в эмиттерную цепь которого включены согласующие p-n-переходы 22.

В соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора КДУ, фиг.3, может использовать полевой транзистор с изолированным затвором. При этом отпадает необходимость прменения согласующих p-n-переходов 22.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.

Положительное изменение входного напряжения (uвх) приводит к изменению эмиттерных токов транзисторов 1, 16 и 2, 17:

где - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора при статическом эмиттерном токе Iэi=I0;

φт≈25 мВ - температурный потенциал.

Причем суммарное изменение токов общей эмиттерной цепи КДУ iэΣ=iэ1+iэ16=iэ17+iэ2.

Приращения iэ1, iэ16 и iэ2 передаются с единичным коэффициентом передачи через транзисторы 5 и 9 в резисторы коллекторной нагрузки 7 и 11

где rэ=rэ1≈rэ2≈rэ16≈rэ17;

i19 - приращение коллекторного тока транзистора 19, вызванное изменением напряжения на первом 7 резисторе коллекторной нагрузки, причем

где rэ18, rэ19 - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 18 и 19;

S1-16 - крутизна усиления сигнала от цепи базы транзистора 1 до базы транзистора 6, причем

где rэ1, rэ2 - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Поэтому ток в резисторе 11 (iR1=iк2+iк19)

В этой связи коэффициент усиления по напряжению КДУ, фиг.2

В КДУ-прототипе

Следовательно, выигрыш по Kу, который дает предлагаемое техническое решение

то есть Nк>>1.

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление.

Таким образом, в предлагаемом КДУ, фиг.2, при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 7 и 11 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.

Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка США 2010/007419, fig.3.

2. Патент США №7737783.

3. Патент США №5568092, fig.1.

4. Патент США №6100759, fig.3.

5. Патентная заявка США 2002/0093380, fig.1.

6. Патентная заявка США 2009/0195312, fig.1.

7. Патент США №3541465, fig.3.

8. Патент США №5440271.

9. Патент США №6262628, fig.14В.

10. Патентная заявка США 2006/0181347, fig.2.

11. Патентная заявка США 2006/0044064, fig.2.

12. Патент США №6011431, fig.3.

13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.

1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым (3) источником питания через первый (4) токостабилизирующий двухполюсник, первый (5) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, коллектор соединен с базой первого (6) выходного транзистора и через первый (7) резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым (8) источником питания, второй (9) вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго (2) входного транзистора, коллектор соединен с базой второго (10) выходного транзистора и через второй (11) резистор коллекторной нагрузки связан со вторым (8) источником питания, вспомогательный источник напряжения (12), соединенный с базами первого (5) и второго (9) вспомогательных транзисторов, второй (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом (14) устройства, связанным с эмиттером второго (10) выходного транзистора и первым (3) источником питания, третий (15) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (6) выходного транзистора и первым (3) источником питания, причем коллекторы первого (6) и второго (10) выходных транзисторов подключены ко второму (8) источнику питания, отличающийся тем, что в схему введен первый (16) и второй (17) дополнительные входные транзисторы, а также третий (18) и четвертый (19) вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого (16) и второго (17) дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, коллектор второго (17) дополнительного входного транзистора подключен ко второму (8) источнику питания, коллектор первого (16) дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого (1) входного транзистора, базы первого (16) и второго (17) дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, эмиттер первого (6) выходного транзистора связан с базой четвертого (19) вспомогательного транзистора, коллектор четвертого (19) вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго (9) вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего (18) и четвертого (19) вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым (3) источником питания через четвертый (20) токостабилизирующий двухполюсник, база третьего (18) вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого (5) вспомогательного транзистора, а коллектор третьего (18) вспомогательного транзистора подключен ко второму (8) источнику питания.

2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго (10) выходного транзистора используется составной транзистор, содержащий биполярный транзистор (21), в эмиттерную цепь которого включены согласующие p-n переходы (22).

3. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве второго (10) выходного транзистора используется полевой транзистор с изолированным затвором.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения.

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, СВЧ-усилителях, логарифмирующих каскадах, аналоговых перемножителях и смесителях 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, решающих усилителях (ОУ), компараторах, мостовых усилителях мощности 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, решающих усилителях (ОУ), компараторах 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, 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, 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-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

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

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

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах фазовой автоподстройки 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

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления СВЧ-аналоговых сигналов, в структуре аналоговых СВЧ-микросхем различного функционального назначения
Наверх