Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом

Авторы патента:

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

Белич Сергей Сергеевич (RU)

Пахомов Илья Викторович (RU)

H03F3/34 - усилители постоянного тока, в которых все каскады связаны по постоянному току (H03F 3/45 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2475941:

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 обеспечение высокой стабильности статического режима дифференциального усилителя и повышение значения его коэффициента усиления по напряжению. Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом содержит первый (1) и второй (2) входы устройства, первый (3) входной транзистор, коллектор которого соединен с первой (4) шиной источника питания через первый (5) токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой первого (6) выходного транзистора, второй (7) входной транзистор, коллектор которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (8) токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой второго (9) выходного транзистора, третий (10) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого (3) входного транзистора, четвертый (11) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго (7) входного транзистора, третий (12) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (9) выходного транзистора, четвертый (15) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (6) выходного транзистора. Между первым (13) и вторым (16) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (17) и второй (18) дополнительные резисторы, причем общий узел первого (17) и второго (18) дополнительных резисторов связан с объединенными базами первого (3) и второго (7) входных транзисторов через дополнительный неинвертирующий усилитель (19). 8 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 решающих усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) с комплементарным входным каскадом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11].

Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 3828268, fig.5, содержащий первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой второго 9 выходного транзистора, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 входного транзистора, четвертый 11 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 7 входного транзистора, третий 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 9 выходного транзистора, связанным с первым 13 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, четвертый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора, связанным со вторым 16 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, причем коллекторы первого 6 и второго 9 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания, а коллекторы третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов соединены со второй 14 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не работоспособен из-за проблем со статическим режимом при высоких значениях коэффициента усиления по напряжению (К_у), зависящего от сопротивлений первого 5 и второго 8 токостабилизирующих двухполюсников, которые могут для увеличения К_у выполняться в виде источников тока.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ и повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой второго 9 выходного транзистора, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 входного транзистора, четвертый 11 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 7 входного транзистора, третий 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 9 выходного транзистора, связанным с первым 13 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, четвертый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора, связанным со вторым 16 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, причем коллекторы первого 6 и второго 9 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания, а коллекторы третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов соединены со второй 14 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - первый 1 вход устройства соединен с базой третьего 10 входного транзистора, второй 2 вход устройства соединен с базой четвертого 11 входного транзистора, между первым 13 и вторым 16 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 17 и второй 18 дополнительные резисторы, причем общий узел первого 17 и второго 18 дополнительных резисторов связан с объединенными базами первого 3 и второго 7 входных транзисторов через дополнительный неинвертирующий усилитель 19.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На фиг.3 представлена схема фиг.2 с конкретным выполнением дополнительного неинвертирующего усилителя 19 для случая, когда входные напряжения u_вх.1, u_вх.2 подаются на входы ДУ относительно общей шины.

На фиг.4 представлена схема фиг.2 с конкретным выполнением дополнительного неинвертирующего усилителя 19 для случая, когда входные напряжения u_вх.1, u_вх.2 подаются на входы ДУ относительно второй 14 отрицательной шины источника питания.

На фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5.

На фиг.7 показаны напряжения на выходах ДУ фиг.5 при входном сигнале Uвх=1 мВ и f=1 МГц, а на фиг.8 - напряжения на выходах при входном сигнале Uвх=3 мВ и f=1 МГц.

Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входы устройства, первый 3 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через первый 5 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 входной транзистор, коллектор которого соединен с первой 4 шиной источника питания через второй 8 токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой второго 9 выходного транзистора, третий 10 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого 3 входного транзистора, четвертый 11 входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго 7 входного транзистора, третий 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 9 выходного транзистора, связанным с первым 13 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, четвертый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора, связанным со вторым 16 выходом устройства и второй 14 шиной источника питания, причем коллекторы первого 6 и второго 9 выходных транзисторов связаны с первой 4 шиной источника питания, а коллекторы третьего 10 и четвертого 11 входных транзисторов соединены со второй 14 шиной источника питания. Первый 1 вход устройства соединен с базой третьего 10 входного транзистора, второй 2 вход устройства соединен с базой четвертого 11 входного транзистора, между первым 13 и вторым 16 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 17 и второй 18 дополнительные резисторы, причем общий узел первого 17 и второго 18 дополнительных резисторов связан с объединенными базами первого 3 и второго 7 входных транзисторов через дополнительный неинвертирующий усилитель 19.

В качестве транзисторов 6 и 9 могут использоваться классические составные транзисторы, включающие резисторы или p-n переходы 24, 25, 27, 28 в эмиттерных цепях. В схеме фиг.3 данные составные транзисторы 6 и 9 выполнены на элементах 23, 24, 25 и 26, 27, 28. Дополнительный неинвертирующий усилитель 19 в схеме фиг.3 реализован на транзисторе 20, резисторе 21 и источнике тока 22.

В схеме фиг.4 дополнительный неинвертирующий усилитель 19 содержит входной транзистор 29 и согласующий резистор 30. При таком построении ДУ существенно упрощается согласование статических режимов транзисторов 3, 7, 10, 11, 9 и 6.

Рассмотрим работу ДУ фиг.3.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 5, 8, 12, и 15. Причем коллекторные (I_кi) токи транзисторов схемы:

где I₀ - заданное значение опорного тока, например 1 мА.

Статические напряжения на выходах ДУ при нулевом входном сигнале (u_вх=0) зависят только от напряжения U^(-) на инвертирующем входе дополнительного усилителя 19:

Причем напряжения коллектор-база транзисторов 3 и 7, определяющие амплитуду (U_m) выходных напряжений ДУ:

где U_эб.Σ.9, U_эб.Σ.6 - напряжения эмиттер-база транзисторов 9 и 6, которые для обеспечения заданных выходных амплитуд U_m в схеме фиг.3 должны выполняться в виде составных активных элементов, либо КМОП-транзисторов. В схеме фиг.4 такое построение 9 и 6 необязательно;

U_эб.3≈U_эб.7≈U_эб.10≈U_эб.11≈0,7 В - напряжения эмиттер-база транзисторов 3, 7, 10, 11.

Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.2 не зависит от дифференциального сопротивления (r_i=r_i5=r_i8) двухполюсников 5, 8, которые для повышения К_у до уровня 60÷70 дБ (фиг.6) могут выполняться в виде источников тока. В ДУ-прототипе фиг.1 такое исполнение элементов 5, 8 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения r_i=r_i5=r_i8 позволяют получить в схеме фиг.2 повышенные значения К_у.

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают, что на основе предлагаемого ДУ реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патентная заявка US №2010/0225392.

2. Патент US №3786362.

3. Патент US №3828268.

4. Патент US №5406222.

5. Патент US №3555402.

6. Патент US №4074205.

7. Патент US №5401995.

8. Патент SU №1107279.

9. Патент JP №57-5364.

10. Патент US №4/030/044.

11. Патент US №4/286/227.

Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом, содержащий первый (1) и второй (2) входы устройства, первый (3) входной транзистор, коллектор которого соединен с первой (4) шиной источника питания через первый (5) токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой первого (6) выходного транзистора, второй (7) входной транзистор, коллектор которого соединен с первой (4) шиной источника питания через второй (8) токостабилизирующий двухполюсник и связан с базой второго (9) выходного транзистора, третий (10) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером первого (3) входного транзистора, четвертый (11) входной транзистор, эмиттер которого соединен с эмиттером второго (7) входного транзистора, третий (12) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго (9) выходного транзистора, связанным с первым (13) выходом устройства и второй (14) шиной источника питания, четвертый (15) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого (6) выходного транзистора, связанным со вторым (16) выходом устройства и второй (14) шиной источника питания, причем коллекторы первого (6) и второго (9) выходных транзисторов связаны с первой (4) шиной источника питания, а коллекторы третьего (10) и четвертого (11) входных транзисторов соединены со второй (14) шиной источника питания, отличающийся тем, что первый (1) вход устройства соединен с базой третьего (10) входного транзистора, второй (2) вход устройства соединен с базой четвертого (11) входного транзистора, между первым (13) и вторым (16) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (17) и второй (18) дополнительные резисторы, причем общий узел первого (17) и второго (18) дополнительных резисторов связан с объединенными базами первого (3) и второго (7) входных транзисторов через дополнительный неинвертирующий усилитель (19).

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Дифференциальный усилитель с расширенным диапазоном изменения входного синфазного сигнала // 2474953

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Операционный усилитель // 2474952

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Каскодный дифференциальный усилитель // 2469465

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Каскодный дифференциальный усилитель // 2468500

Изобретение относится к области устройств усиления аналоговых сигналов. .

Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению // 2461957

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.).

Широкополосный усилитель тока // 2461956

Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания // 2460206

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.).

Прецизионный операционный усилитель // 2455757

Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления // 2455756

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.).

Широкополосный дифференциальный усилитель // 2475942

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом // 2479113

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

Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом // 2481698

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов

Устройство для компенсации статических и динамических входных токов дифференциальных каскадов на биполярных транзисторах // 2487467

Изобретение относится к области радиотехники и связи

Входной каскад быстродействующего операционного усилителя // 2504896

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.

Входной каскад быстродействующего операционного усилителя // 2509406

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.

Комплементарный входной каскад быстродействующего операционного усилителя // 2510570

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.

Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом // 2513482

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.

Быстродействующий драйвер дифференциальной линии связи // 2515543

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на емкостную нагрузку). Технический результат заключается в повышении быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку за счет исключения влияния на переходный процесс первого и второго конденсаторов цепи нагрузки. Технический результат достигается за счет быстродействующего драйвера дифференциальной линии связи, который содержит первый и второй источники входных противофазных напряжений, связанных с соответствующими входами первого и второго выходных каскадов, первый и второй конденсаторы нагрузки, подключенные к соответствующим выходам первого и второго выходных каскадов, выход первого выходного каскада, вход первого неинвертирующего повторителя напряжения, токовый выход первого инвертирующего повторителя тока, первый дополнительный конденсатор, второй дополнительный конденсатор. 5 ил.

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки // 2522042

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку. Достигаемый технический результат - повышение быстродействия драйвера при работе на емкостную нагрузку, расширение диапазона его рабочих частот. Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки содержит выходной каскад, вход которого соединен с источником входного сигнала, а выход подключен к конденсатору цепи нагрузки, преобразователь «напряжение-ток», потенциальный вход которого соединен с выходом выходного каскада, потенциальный выход соединен с цепью коррекции, первый токовый выход подключен ко входу первого токового зеркала, согласованного с первой шиной источника питания, второй токовый выход подключен ко входу второго токового зеркала, согласованного со второй шиной источника питания, токовые выходы первого и второго токовых зеркал связаны с выходом выходного каскада, причем приращение токов первого и второго токовых выходов преобразователя «напряжение-ток» для соответствующих полярностей выходных напряжений пропорциональны проводимости цепи коррекции. 1 н. и 1 з.п. ф-лы.,9 ил.