Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления

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.). Технический результат заключается в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания. Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления содержит входной дифференциальный каскад, выходной дифференциальный каскод, первый и второй вспомогательные двухполюсники, первый и второй вспомогательные транзисторы, токостабилизирующий двухполюсник. 1 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, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-10]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых (аналогово-цифровых) устройств и является базовой как для традиционных, так и для новых технологий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель по патенту фирмы Texas Instruments US 5.461.342, fig.1.

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

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

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

Для интегральных транзисторов U_Эрли=20÷30 В. Следовательно, при I₀=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения К_y. Более высокие выходные сопротивления R_дн реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение U_дн между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U_эб≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме того, 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 КДУ не эффективны.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания.

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.

На чертеже фиг.1 показана схема КДУ-прототипа.

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

На чертеже фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, в которой выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на p-n-p транзисторах 24, 25 и токовом зеркале 27.

На чертеже фиг.4 показана схема КДУ с парафазным выходом, в котором выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на р-n-р транзисторах 33, 34 и резисторах коллекторной нагрузки 35, 36.

График фиг.5 характеризует частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (К_у) КДУ (фиг.2 и фиг.1), полученные в среде компьютерного моделирования РSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП HПП «Пульсар» при R₁₇=R₁₈=1,5 кОм, Е_с=1,5 В, R₈=R₉=500 Ом, I₁₄=I₁₁=2 мА, . Все транзисторы - TN15S.

Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов. База первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.

На чертеже фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 12 и 13, статический режим которых устанавливается источником тока 14. Выходной дифференциальный каскод 4 реализован на транзисторах 13 и 14, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения 19 (Ec). Коллекторная нагрузка в каскоде 4 реализована на резисторах 17 и 18, связанных с шиной положительного источника питания 20. Эмиттерные цепи транзисторов 12, 13, 9, 10 связаны с шиной 21 источника отрицательного напряжения питания.

На чертеже фиг.3 выходной дифференциальный каскод 4 реализован на основе источников опорного тока 22 и 23, транзисторах 24 и 26, статический режим которых по цепи базы, устанавливается источником напряжения 26 (Ес). Нагрузкой каскода является токовое зеркало 27, выход которого связан с буферным усилителем 28.

На чертеже фиг.4 выходной дифференциальный каскод 4 с парафазным выходом реализован на основе источников опорного тока 31 и 32, транзисторах 33 и 34, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения Ес. Нагрузкой каскода 4 являются резисторы 35 и 36.

В соответствии с п.2 формулы изобретения в схеме фиг.3 параллельно первому 6 и второму 8 вспомогательным двухполюсникам включены соответственно первый 29 и второй 30 элементы частотной коррекции, например конденсаторы.

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

Положительное изменение входного напряжения (u_вх) приводит к изменению эмиттерных (i_э) и коллекторных (i_к) токов транзисторов 12 и 13:

где - сопротивление эмиттерного перехода 1-го транзистора при статическом эмиттерном токе I_эi=I₀;

φ_т≈25 мВ - температурный потенциал.

Поэтому напряжение U₂₃ между базами транзисторов 9 и 10:

где R₈=R₆ - сопротивления двухполюсников 6 и 8.

Напряжение u₂₃ вызывает изменение коллекторных токов транзисторов 9 и 10:

где для рассматриваемого случая .

Как следствие эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 15 и 16:

Для тока i_к16 и выходного напряжения u_вых.2 можно записать следующие уравнения:

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ (фиг.2) в N-раз больше, чем ДУ-прототипа:

Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление при сравнительно низкоомных резисторах R17=R18=1,5 кОм, R6=R8=500 Ом.

Таким образом, в предлагаемом КДУ (фиг.3) при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 17 и 18 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.

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

Источники информации

1. Патент США №5.461.342, fig.1.

2. Патент США №7.236.011, fig.4.

3. Патент UK №1.520.085, кл. НЗТ, fig.2.

4. Патент США №3.482.177.

5. Патент DЕ №2.418.455.

6. Патент RU №2.282.303, fig.2.

7. Патент США №5.568.092, fig.1.

8. Патент США №5.440.271, fig.1.

9. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.142, рис.6.64.

10. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.227, рис.8.51.

1. Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод (4), первый (5) токовый вход которого связан с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) через первый (6) вспомогательный двухполюсник, а второй (7) токовый вход выходного дифференциального каскода (4) связан со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) через второй (8) вспомогательный двухполюсник, первый (9) вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым (7) токовым входом выходного дифференциального каскода (4), второй (10) вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым (5) токовым входом выходного дифференциального каскода (4), первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого (9) и второго (10) вспомогательных транзисторов, отличающийся тем, что база первого (9) вспомогательного транзистора соединена с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а база второго (10) вспомогательного транзистора соединена со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1).

2. Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что параллельно первому (6) и второму (8) вспомогательным двухполюсникам включены соответственно первый (29) и второй (30) элементы частотной коррекции.