Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала



Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала
Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала
Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала
Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала
Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала

 


Владельцы патента RU 2474953:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение допустимого диапазона изменения входных синфазных сигналов на 0,7÷0,8, что является существенным улучшением одного из важных качественных показателей ДУ. Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первую (4) шину источника питания, первый (5) прямосмещенный p-n переход, второй (6) прямосмещенный p-n переход, первый (7) выходной транзистор, второй (8) выходной транзистор, третий (9) выходной транзистор, четвертый (10) выходной транзистор, цепь нагрузки (11), согласованную со второй (12) шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора (13), эмиттер которого связан с дополнительным источником опорного тока (14), первый (15) и второй (16) последовательно соединенные дополнительные резисторы. 5 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления дифференциальных сигналов при наличии синфазной составляющей, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в прецизионных интегральных и решающих усилителях, компараторах и т.п.).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе каскодных токовых зеркал [1-5]. ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных аналоговых микросхем [1-22], в т.ч. ДУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжениям питания.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US №4241315, fig.4. Его существенная особенность - применение каскодных токовых зеркал, обладающих предельно высоким выходным сопротивлением (влияющим на коэффициент усиления ДУ по напряжению), а также характеризующихся повышенным диапазоном рабочих частот в сравнении с другими вариантами токовых зеркал. Архитектура ДУ-прототипа также используется во многих патентах ведущих микроэлектронных фирм [5-22].

ДУ-прототип фиг.1 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, причем первый 2 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через первый 5 прямосмещенный p-n переход, а второй 3 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 прямосмещенный p-n переход, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана с первым 5 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером второго 8 выходного транзистора, третий 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана со вторым 6 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером четвертого 10 выходного транзистора, цепь нагрузки 11, согласованную со второй 12 шиной источника питания и связанную с выходами устройства и коллекторами второго 8 и четвертого 10 выходных транзисторов.

Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что при малых напряжениях питания (Еп) он имеет не достаточно широкий относительный (приведенный к Еп) диапазон изменения синфазной составляющей входных напряжений uc≈0,5(uc1+uc2), где uc1, uc2 - напряжения на входах ДУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении допустимого диапазона изменения входных синфазных сигналов на 0,7÷0,8 В. При малых напряжениях питания (Еп≤±2 В) - это существенное улучшение одного из важных качественных показателей ДУ.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, причем первый 2 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через первый 5 прямосмещенный p-n переход, а второй 3 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 прямосмещенный p-n переход, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана с первым 5 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером второго 8 выходного транзистора, третий 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана со вторым 6 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером четвертого 10 выходного транзистора, цепь нагрузки 11, согласованную со второй 12 шиной источника питания и связанную с выходами устройства и коллекторами второго 8 и четвертого 10 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - базы второго 8 и четвертого 10 выходных транзисторов соединены с эмиттером дополнительного транзистора 13, эмиттер которого связан с дополнительным источником опорного тока 14, а коллектор подключен к первой 4 шине источника питания, причем в схему введены первый 15 и второй 16 последовательно соединенные дополнительные резисторы, которые включены между базами первого 7 и третьего 9 выходных транзисторов, а общий узел первого 15 и второго 16 дополнительных резисторов связан с базой дополнительного транзистора 13.

Схема дифференциального усилителя-прототипа представлена на фиг.1.

На фиг.2 показана схема заявляемого ДУ в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 и фиг.4 показаны схемы усилителя-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов АВМК_1_3 (НПО «Интеграл», г.Минск).

На фиг.5 приведены амплитудно-частотные характеристики коэффициента ослабления входного синфазного сигнала при разных уровнях входного синфазного напряжения: Uc=10 мВ (a), Uc=1 В (б), Uc=1,7 В (в).

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, причем первый 2 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через первый 5 прямосмещенный p-n переход, а второй 3 токовый выход связан с первой 4 шиной источника питания через второй 6 прямосмещенный p-n переход, первый 7 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана с первым 5 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером второго 8 выходного транзистора, третий 9 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой 4 шиной источника питания, база связана со вторым 6 прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером четвертого 10 выходного транзистора, цепь нагрузки 11, согласованную со второй 12 шиной источника питания и связанную с выходами устройства и коллекторами второго 8 и четвертого 10 выходных транзисторов. Базы второго 8 и четвертого 10 выходных транзисторов соединены с эмиттером дополнительного транзистора 13, эмиттер которого связан с дополнительным источником опорного тока 14, а коллектор подключен к первой 4 шине источника питания, причем в схему введены первый 15 и второй 16 последовательно соединенные дополнительные резисторы, которые включены между базами первого 7 и третьего 9 выходных транзисторов, а общий узел первого 15 и второго 16 дополнительных резисторов связан с базой дополнительного транзистора 13.

В схеме фиг.2 входной каскад 1 реализован на транзисторах 17 и 18 и источнике тока 19, а цепь нагрузки 11 содержит резисторы 20 и 21.

Рассмотрим факторы, определяющие допустимый диапазон Uc.max изменения входных синфазных сигналов ДУ фиг.1 и ДУ фиг.2.

Максимально возможное входное синфазное напряжение ДУ фиг.1 (Uc.max) определяется из уравнения для данной схемы по второму закону Кирхгофа:

где Uc.max=Uc1=Uc2=Uc,

Uкб.13≥0 - напряжение коллектор-база транзистора 13 входного каскада 1, при котором этот транзистор работает в активном режиме;

Ud=Ud5=Ud6≈0,8 В - напряжения на p-n переходах в коллекторной цепи транзисторов 13, 14 входного каскада.

Из уравнения (1) можно найти, что максимально возможное положительное приращение входного синфазного напряжения в ДУ-прототипе Uc.max, при котором не деградирует коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф) и другие динамические параметры, не лучше чем

.

При и SiGe интегральных транзисторах Uc.max≤0,4 В.

В заявляемой схеме ДУ фиг.2

,

т.е. ДУ фиг.2 имеет на 0,8 В более высокое значение Uc.max. При низковольтном питании - это весьма существенное преимущество.

Результаты компьютерного моделирования известной (фиг.3) и предлагаемой (фиг.4) схем ДУ, представленные на чертежах фиг.5, показывают, что схема фиг.4 имеет более высокое значение Uc.max, при превышении которого Кос.сф существенно деградирует.

Кроме этого, заявляемый ДУ характеризуется более широким частотным диапазоном из-за отсутствия эффекта умножения емкостей коллектор-база транзисторов 8 и 10, приведенных к выходам Вых.1, Вых.2.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом по величине Uc.max.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Операционные усилители и компараторы: справочник [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001., стр.225.

2. Полонников, Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника [Текст] / Д.Е.Полонников. - М., 1983., С.203.

3. Операционные усилители и компараторы. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001., стр.106 (ОУ СА3078).

4. Матавкин, В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М.: Радио и связь, 1989. - Рис.2.12.

5. Шкритек, П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст]: Пер. с нем. / П.Шкритек - М.: Мир, 1991. - С.96, рис.8.2.1.

6. Патент США №4783602.

7. Патент США №4176323.

8. Патент США №5371476.

9. Патент США RE 30587.

10. Патент США №4241315.

11. Патент США №4267519.

12. Патент США №4361815.

13. Патент США №3439542.

14. Патент США №5880639.

15. А.св. СССР №361605.

16. Патент ФРГ №2551068.

17. Патент ФРГ №2620999.

18. Патент США №5936568.

19. Патент США №5497124.

20. Патент США №3979689.

21. Патент США №5399991.

22. Патент США №4618832.

Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, причем первый (2) токовый выход связан с первой (4) шиной источника питания через первый (5) прямосмещенный p-n переход, а второй (3) токовый выход связан с первой (4) шиной источника питания через второй (6) прямосмещенный p-n переход, первый (7) выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания, база связана с первым (5) прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером второго (8) выходного транзистора, третий (9) выходной транзистор, эмиттер которого связан с первой (4) шиной источника питания, база связана со вторым (6) прямосмещенным p-n переходом, а коллектор соединен с эмиттером четвертого (10) выходного транзистора, цепь нагрузки (11), согласованную со второй (12) шиной источника питания и связанную с выходами устройства и коллекторами второго (8) и четвертого (10) выходных транзисторов, отличающийся тем, что базы второго (8) и четвертого (10) выходных транзисторов соединены с эмиттером дополнительного транзистора (13), эмиттер которого связан с дополнительным источником опорного тока (14), а коллектор подключен к первой (4) шине источника питания, причем в схему введены первый (15) и второй (16) последовательно соединенные дополнительные резисторы, которые включены между базами первого (7) и третьего (9) выходных транзисторов, а общий узел первого (15) и второго (16) дополнительных резисторов связан с базой дополнительного транзистора (13).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области устройств 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 (например, SiGe-операционных усилителях (ОУ), 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, 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

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. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала за счет новых элементов связи. Входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, эмиттеры которых через соответствующие первый (3) и второй (4) вспомогательные резисторы соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов с объединенными базами, первый (7) и второй (8) входы устройства, связанные с соответствующими базами первого (1) и второго (2) входных транзисторов, третий (9) и четвертый (10) вспомогательные резисторы, первый (11) и второй (12) вспомогательные прямосмещенные р-n переходы, первый (13) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (14), (15), (16), (17), связанные с коллекторами входных (1), (2) и выходных (5), (6) транзисторов. 18 ил.

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада операционного усилителя (ОУ) для дифференциального сигнала. Входной каскад ОУ содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) и второй (4) выходные транзисторы, первый (5) и второй (6) вспомогательные транзисторы, первый (7) и второй (8) входы устройства, первый (9) и второй (10) прямосмещенные p-n-переходы, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, токовые выходы устройства (12), (13), (14), (15), первую (16) шину источника питания (ИП), где между вторым (10) p-n-переходом, включенным в эмиттер второго (6) транзистора, и второй (17) шиной ИП включен первый (11) двухполюсник, между первым (9) p-n-переходом, включенным в эмиттер первого (5) транзистора, и второй (17) шиной ИП включен второй (18) двухполюсник, между общим узлом (19) первого (9) p-n-перехода и второго (18) двухполюсника, а также общим узлом (20) второго (12) p-n-перехода и первого (11) двухполюсника последовательно включены третий (21) и четвертый (22) резисторы, общий узел (23) которых соединен с базами первого (3) и второго (4) входных транзисторов. 18 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона активной работы входного каскада ОУ для дифференциального сигнала, а также получение граничных напряжений его проходной характеристики iвых=f(uвх) на уровне Uгр=1÷2 В, что приводит к повышению быстродействия ОУ более чем на порядок. Комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя содержит: первый (1) и второй (2) входные транзисторы, первый (3) и второй (4) выходные транзисторы с объединенными базами, первый (5) и второй (6) входы устройства, первый (7) и второй (8) вспомогательные транзисторы, первый (9) токостабилизирующий двухполюсник, первые (10), (11) токовые выходы устройства, вторые (12), (13) токовые выходы устройства, первую (14) шину источника питания, вторую (15) шину источника питания, второй (16) токостабилизирующий двухполюсник, первый (17) дополнительный резистор, второй (18) дополнительный резистор, третий (19) и четвертый (20) дополнительные резисторы. 20 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. Техническим результатом является повышение стабильности выходного статического синфазного напряжения дифференциального операционного усилителя при нулевом входном синфазном сигнале. В усилитель введены третий и четвертый входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами первого и второго входных транзисторов, причем база третьего входного транзистора соединена с базой первого входного транзистора, база четвертого входного транзистора соединена с базой второго входного транзистора, коллекторы третьего и четвертого входных транзисторов связаны с шиной второго источника питания, эмиттеры первого и второго входных транзисторов подключены к эмиттерам первого и второго дополнительных транзисторов, коллектор первого дополнительного транзистора соединен с коллектором первого входного транзистора, коллектор второго дополнительного транзистора соединен с коллектором второго входного транзистора, при этом первый вспомогательный выход устройства связан с базами первого и второго дополнительных транзисторов через первый резистор обратной связи, а второй вспомогательный выход устройства связан с базами первого и второго дополнительных транзисторов через второй резистор обратной связи. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Наверх