Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению

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 (в 8-20 раз) коэффициента усиления по напряжению ДУ при выполнении его резисторов коллекторной нагрузки сравнительно низкоомными (600-800 Ом). Устройство содержит входной дифференциальный каскад, первый и второй выходной транзистор, эквивалентный резистор нагрузки, первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй резисторы коллекторной нагрузки. 3 з.п. ф-лы, 5 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 (ОУ), компараторах, фильтрах и т.п.).

В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Однако SiGe технический процесс SGB25VD, внедряемый в настоящее время российскими предприятиями для производства РЭА нового поколения, не обеспечивает возможности построения схем с p-n-p транзисторами. Это не позволяет применять традиционные активные нагрузки в ОУ СВЧ диапазона. Как следствие, в качестве элементов коллекторной цепи входного каскада ОУ разрешается использовать только пассивные элементы - резисторы [1-15]. В конечном итоге это требование ограничивает К_у входного дифференциального каскада и ОУ в целом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке US 2010/0102884 fig.2 фирмы Mitsubishi (JP). Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, эквивалентный резистор нагрузки 6 (входное сопротивление последующего каскада), включенный между эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, связанных с соответствующими первым 7 и вторым 8 выходами устройства, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 4 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 5 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, первый 12 и второй 13 резисторы коллекторной нагрузки, первые выводы которых объединены и подключены ко второй 14 шине источника питания. Кроме этого схема ДУ-прототипа присутствует в других патентах US 5.367.271, fig.3, US 4.276.485, fig.1 и др.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации его резисторов коллекторной нагрузки в виде сравнительно низкоомных элементов его коэффициент усиления получается небольшим.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении (в 8-20 раз) коэффициента усиления по напряжению ДУ при выполнении его резисторов коллекторной нагрузки сравнительно низкоомными (600-800 Ом).

Дополнительная задача - расширение частотного диапазона, повышение верхней граничной частоты (f_в) за счет создания компенсирующих емкость на подложку в узлах 2 и 3 цепей коррекции.

Поставленные задачи достигаются тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, эквивалентный резистор нагрузки 6, включенный между эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, связанных с соответствующими первым 7 и вторым 8 выходами устройства, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 4 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 5 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, первый 12 и второй 13 резисторы коллекторной нагрузки, первые выводы которых объединены и подключены ко второй 14 шине источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со вторым выводом первого 12 резистора коллекторной нагрузки и коллектором второго 5 выходного транзистора через первую 15 цепь смещения потенциалов, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со вторым выводом второго 13 резистора коллекторной нагрузки и коллектором первого 4 выходного транзистора через вторую 16 цепь смещения потенциалов.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения, приведена на фиг.2.

На фиг.3-4 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.3) и схема заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.5 - амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, 4). Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомных резисторов коллекторной нагрузки 12 и 13 (R₁₂=R₁₃=800 Ом), коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается более чем на два порядка в сравнении с К_у известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологических процессов SGB25VD, SG13S1 и др.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, эквивалентный резистор нагрузки 6, включенный между эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, связанных с соответствующими первым 7 и вторым 8 выходами устройства, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 4 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 5 выходного транзистора и первой 10 шиной источника питания, первый 12 и второй 13 резисторы коллекторной нагрузки, первые выводы которых объединены и подключены ко второй 14 шине источника питания. Первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со вторым выводом первого 12 резистора коллекторной нагрузки и коллектором второго 5 выходного транзистора через первую 15 цепь смещения потенциалов, второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со вторым выводом второго 13 резистора коллекторной нагрузки и коллектором первого 4 выходного транзистора через вторую 16 цепь смещения потенциалов.

На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения параллельно эквивалентному резистору нагрузки 6 включена дополнительная корректирующая RC-цепь 17, которая может содержать либо второй 18 корректирующий конденсатор (п.3 формулы изобретения), либо последовательно соединенные третий 19 корректирующий конденсатор и первый 20 корректирующий резистор (п.4 формулы изобретения). Эквивалентная паразитная емкость на подложку в коллекторных цепях транзистора 23 моделируется конденсаторами 21 и 22.

Входной дифференциальный каскад 1 содержит транзисторы 23-24 и источник тока 25.

В качестве токостабилизирующих двухполюсник 9 и 11, а также 25 (фиг.2) могут использоваться транзисторные источники опорного тока или высокоомные резисторы. В качестве цепей смещения потенциалов 15 и 16 рекомендуется применять прямосмещенные p-n переходы.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.

В статическом режиме коллекторные токи (I_кi) транзисторов 23, 24, 4 и 5 устанавливаются двухполюсниками 25, 9, 11:

I₉=I₁₁=I₀

I_к4≈I₉,

I_к5≈I₁₁.

Через резисторы коллекторной нагрузки 12 и 13 протекают статические токи, равные 2I₀.

Если на вход Вх.⁽⁺⁾1 подается напряжение u_вх, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 24 и уменьшение коллекторного тока транзистора 23. Как следствие, напряжение на токовом выходе 3 увеличивается. При этом приращение u₃ передается на выход 8 ДУ. Следует обратить внимание на то, что в заявляемой схеме вследствие ее структурных особенностей обеспечивается равенство амплитуд следующих переменных напряжений в узлах 2, 3, 7, 8:

Поэтому приращение тока через нагрузку 6 и токи коллектора транзисторов 4 и 5:

Следовательно эквивалентное сопротивление в узлах 2 и 3:

Если выбрать 2R₁₂/R₆≈1, то R_экв.2→∞. Как следствие, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 по данному выходу повышается:

где S₁ - крутизна входного дифференциального каскада 1.

Для десятикратного выигрыша по К_у7 следует выбирать R12/R6=0,45.

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования фиг.5.

Отрицательное влияние паразитных конденсаторов 21 и 22 на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне высоких частот в ДУ фиг.2 может быть скомпенсировано корректирующей цепью 17, действие которой на АЧХ противоположно действию конденсаторов 21 и 22.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с известным по коэффициенту усиления по напряжению и частотному диапазону.

Источники информации

1. Патент США №5.684.419.

2. Патентная заявка WO 2009/042474, fig.5.

3. Патентная заявка WO 96/21271.

4. Патентная заявка США 2010/0019946, fig.3.

5. Патент США №6.693.489.

6. Патентная заявка WO 2005/074136, fig.1.

7. Патентная заявка США 2006/0038616, fig.1.

8. Патентная заявка США 2010/0102884, fig.2.

9. Патент США №6.285.245, fig.1.

10. Патент США №4.517.524.

11. Патент США №4.276.485, fig.1.

12. Патентная заявка США 2005/0088232.

13. Патент Франции №2409640, fig.1.

14. Патентная заявка США 2005/0110571, fig.7.

15. Патентная заявка США 2009/108882, fig.3.

1. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, эквивалентный резистор нагрузки (6), включенный между эмиттерами первого (4) и второго (5) выходных транзисторов, связанных с соответствующими первым (7) и вторым (8) выходами устройства, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (4) выходного транзистора и первой (10) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (5) выходного транзистора и первой (10) шиной источника питания, первый (12) и второй (13) резисторы коллекторной нагрузки, первые выводы которых объединены и подключены ко второй (14) шине источника питания, отличающийся тем, что первый (2) токовый выход входного дифференциального каскада (1) соединен со вторым выводом первого (12) резистора коллекторной нагрузки и коллектором второго (5) выходного транзистора через первую (15) цепь смещения потенциалов, второй (3) токовый выход входного дифференциального каскада (1) соединен со вторым выводом второго (13) резистора коллекторной нагрузки и коллектором первого (4) выходного транзистора через вторую (16) цепь смещения потенциалов.

2. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению по п.1, отличающийся тем, что параллельно эквивалентному резистору нагрузки (6) включена дополнительная корректирующая цепь (17).

3. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению по п.1, отличающийся тем, что дополнительная корректирующая цепь (17) содержит второй (18) корректирующий конденсатор.

4. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению по п.1, отличающийся тем, что дополнительная корректирующая цепь (17) содержит последовательно включенные третий (19) корректирующий конденсатор и первый (20) корректирующий резистор.