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 (Е_п), характерных для SiGe технологических процессов (Е_п≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K_y) получается небольшим (K_ymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е_п не могут выбираться высокомными. Поэтому для повышения K_y применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы U_ДН=0,8÷1,6 В статического напряжения между источником 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 р-n-р транзистора ДН;

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

Для интегральных транзисторов U_эрли=20÷30 В. Следовательно, при I₀=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить K_y>200÷300. Более высокие выходные сопротивления R_дн реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. 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 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 (K_y) 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 u_вх приводит к приращению эмиттерных (i_э) и коллекторных (i_k) токов транзисторов 11, 12, 4:

где φ_T≈25 мВ - температурный потенциал;

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

Напряжение U₃ на токовом выходе 3 (u₃=u_кl2≈i_к12R₉), являющееся входным напряжением для каскада на транзисторах 4 и 10, создает первую i_э4.10 составляющую приращения тока эмиттера транзистора 4:

где .

Поэтому суммарное приращение коллекторного тока i_k4 транзистора 4 и выходное напряжение ДК

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

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению K_y 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).