Дифференциальный каскад с повышенным усилением 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 (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат заключается в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДК при низковольтном питании. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению содержит входной параллельно-балансный каскад, выходной транзистор, буферный усилитель, резистор коллекторной нагрузки, вспомогательный источник напряжения, дополнительный резистор, дополнительный транзистор. 2 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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).

В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные каскады (ДК) с резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов [1-13]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для принципиально новых нанотехнологий [10].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту US 5.568.092 fig.1.

Существенный недостаток известного ДК, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], 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 (Ky) получается небольшим (Kymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Еп не могут выбираться высокомными. Поэтому для повышения Ky применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы UДН=0,8÷1,6 В статического напряжения 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 р-n-р транзистора ДН;

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

Для интегральных транзисторов Uэрли=20÷30 В. Следовательно, при I0=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить Ky>200÷300. Более высокие выходные сопротивления Rдн реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение Uдн между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Uэб≥1,6 В. При низковольтном питании это неприемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование р-n-р транзисторов. Для других технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение р-n-р 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 ДК неэффективны.

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

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном каскаде с повышенным усилением по напряжению (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8, предусмотрены новые элементы и связи - база выходного транзистора 4 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения 8, а коллектор связан с шиной источника питания 7.

На чертеже фиг.1 показана схема ДК-прототипа.

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

На чертеже фиг.3 приведена схема ДК в соответствии с п.2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.4 представлена схема ДК (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар.

График фиг.5 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Ky) ДК (фиг.4) для выхода буферного усилителя 5.

Дифференциальный каскад (фиг.1), содержит входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8. При этом база выходного транзистора соединена 4 со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения (8), а коллектор связан с шиной источника питания 7.

На чертеже фиг.2 входной параллельно-балансный каскад 1 содержит входные транзисторы 11, 12 и источник тока 13, устанавливающий их статические режимы.

В схеме фиг.2 буферный усилитель 5 реализован в частном случае на транзисторе 13, стабилитроне 14 и источнике тока 15, а параллельно дополнительному резистору 9 включен корректирующий конденсатор 19.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор дополнительного транзистора 10 связан с шиной источника питания 7 через дополнительный резистор нагрузки 16 и подключен к вспомогательному 17 выходу устройства через вспомогательный 18 буферный усилитель. Это позволяет реализовать второй противофазный выход 17 и решить, таким образом, задачи построения ДК с парафазным выходом.

Рассмотрим работу схемы фиг.2.

Изменение uвх приводит к приращению эмиттерных (iэ) и коллекторных (ik) токов транзисторов 11, 12, 4:

где φT≈25 мВ - температурный потенциал;

- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12 при статическом токе эмиттера Iэ=2I0.

Напряжение U3 на токовом выходе 3 (u3=uкl2≈iк12R9), являющееся входным напряжением для каскада на транзисторах 4 и 10, создает первую iэ4.10 составляющую приращения тока эмиттера транзистора 4:

где .

Поэтому суммарное приращение коллекторного тока ik4 транзистора 4 и выходное напряжение ДК

где Ку - коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.2).

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению Ky заявляемого ДУ превышает ДК-прототипа в N-раз.

где

- коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.1).

Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5). Заявляемый ДК имеет более чем на порядок высокое значение коэффициента усиления по напряжению и двухканальную архитектуру - передачу сигнала на выход по высокочастотному (транзисторы 11, 4) и относительно высокочастотному (транзисторы 12, 4) каналам, что положительно сказывается на обеспечении устойчивости ДК в схемах с отрицательной обратной связью, позволяет в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечить коррекцию амплитудно-частотной характеристики путем шунтирования дополнительного резистора 9 специальным конденсатором.

Таким образом, заявляемый дифференциальный каскад имеет ряд преимуществ в сравнении с ДК-прототипом.

Литература

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

2. Патент США №7.737.783.

3. Патент США №5.568.092, fig.1.

4. Патент США №6.100.759, fig.3.

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

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

7. Патент США №3.541.465, fig.3.

8. Патент США №5.440.271.

9. Патент США №6.262.628, fig.14В.

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

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

12. Патент США №6.011.431, fig.3.

13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.

1. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению, содержащий входной параллельно-балансный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, выходной транзистор (4), эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного параллельно-балансного каскада (1), а коллектор соединен со входом буферного усилителя (5) и через резистор коллекторной нагрузки (6) связан с шиной источника питания (7), вспомогательный источник напряжения (8), отличающийся тем, что база выходного транзистора соединена (4) со вторым (3) токовым выходом входного параллельно-балансного каскада (1) и через дополнительный резистор (9) связана с шиной источника питания (7), эмиттер выходного транзистора (4) соединен с эмиттером дополнительного транзистора (10), база которого соединена со вспомогательным источником напряжения (8), а коллектор связан с шиной источника питания (7).

2. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению по п.1, отличающийся тем, что коллектор дополнительного транзистора (10) связан с шиной источника питания (7) через дополнительный резистор нагрузки (16) и подключен к вспомогательному (17) выходу устройства через вспомогательный (18) буферный усилитель.

3. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению по п.1, отличающийся тем, что параллельно дополнительному резистору (9) включен корректирующий конденсатор (19).



 

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 (например, СВЧ-усилителях, смесителях и перемножителях сигналов и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых СВЧ-сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов, реализуемых по технологиям SGB25VD, SG25H1, SG25H2, SG13SI и др.).

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 (например, SiGe-операционных 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, мостовых усилителях мощности, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах 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 прецизионных интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.).

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, 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 (например, в прецизионных интерфейсах, 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, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах 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, фильтрах, компараторах т.п.).

Изобретение относится к области устройств усиления аналоговых сигналов

Изобретение относится к вычислительной технике

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.)

Наверх