Широкополосный дифференциальный усилитель

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 2475942:

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, повышение значения его коэффициента усиления по напряжению и верхней граничной частоты. Широкополосный дифференциальный усилитель содержит первый (1) входной каскад, первый (5) выходной транзистор, второй (8) выходной транзистор, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания. Коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор. 7 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе «перегнутого» каскода с парафазным (дифференциальным) выходом, 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 4.600.893, содержащий первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 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 10 (r₁₀) и второго 11 (r₁₁) токостабилизирующих двухполюсников, которые могут (для увеличения К_у) выполняться в виде источников тока. Кроме этого, при высоких r₁₀, r₁₁ известный ДУ имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени:

где С_Σ5, C_Σ8 - эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 5, 10 и 8, 11. Если С_Σ5=С_Σ8≤0,5 пФ, а r₁₀≈r₁₁≈10⁶ Ом, то τ₅=τ₈=510^-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ, повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению К_у и верхней граничной частоты f_в (по уровню - 3 дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18. Кроме того, в заявляемом ДУ первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа с выходным каскадом на p-n-p транзисторах.

На чертеже фиг.2 показан ДУ фиг.1 с выходным каскадом на n-p-n транзисторах.

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферных усилителей 15 и 13, а также неинвертирующего каскада 18.

На чертеже фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5 при разных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С₂ (20) и С₃ (19).

На чертеже фиг.7 показана зависимость выходных напряжений ДУ при входном синусоидном сигнале Uin1=1 мВ.

Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18, первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

В схемах фиг.3, фиг.4 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 21 и 22 и источнике опорного тока 23. В дифференциальном усилителе фиг.4, соответствующем чертежу фиг.3, буферный усилитель 13 реализован на транзисторе 25 и источнике тока 33, а буферный усилитель 15 содержит соответственно транзистор 24 и источник опорного тока 32. Кроме этого неинвертирующий каскад 18 реализован здесь на транзисторе 26, резисторах 27, 29 и p-n переходе 28. Конденсаторы 30 и 31 моделируют эквивалентные емкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены емкостями на подложку элементов 5, 10, 8, 11, а также емкостями коллектор-база транзисторов 5, 25 и 8, 24.

Рассмотрим работу ДУ фиг.3.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.3 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 10, 11 и 23, причем коллекторные (I_кi) токи транзисторов схемы:

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

Статические напряжения на выходах ДУ 14 и 12 при нулевом входном сигнале (u_вх=0) близко к нулю, что обеспечивается неинвертирующим каскадом 18:

При этом синфазная нестабильность или технологические изменения токов I₁₀, I₁₁ передаются на выходы 12 и 14 и вызывают «подстройку» коллекторных токов транзисторов 5 и 8, что в конечном итоге стабилизирует статический режим схемы.

Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.3 не зависит от дифференциальных сопротивлений (r_i=r₁₀=r₁₁) токостабилизирующих двухполюсников 10, 11, 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 10, 11 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения r_i=r₁₀=r₁₁ позволяют получить в схеме фиг.3 повышенные значения К_у.

Замечательная особенность заявляемого ДУ состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов 19 и 20 более чем на порядок расширяется диапазон рабочих частот ДУ (фиг.6) - верхняя граничная частота f_в увеличивается от 4,3 мГц до 48,3 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией эквивалентной емкости на подложку С₃₀ (С₃₁) емкостью корректирующего конденсатора 20 (19). При этом эффективные емкости С_30.эф, С_31.эф уменьшаются до величины:

где α₈≈α₅≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 8 и 5.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 8 и 5) уменьшаются, что повышает более чем на порядок верхнюю граничную частоту f_в ДУ (фиг.6).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают (фиг.6, фиг.7), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.3) реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US №4.406.990, fig.4

2. Патент US №4.600.893

3. Патент US №5.557.238

4. Патент US №5.734.296, fig.3

5. Патент US №5.420.540

6. Патент US №3.879.689, fig.3

7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - стр.87, рис.5.20.

8. Патентная заявка US №2005/0206454, fig.4

9. Патент US №6.710.654

10. Патент US №6.300.831

11. Патент US №5.422.600

Широкополосный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) входной каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом и через первый (6) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, второй (8) выходной транзистор, база которого подключена к базе первого (5) выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым (2) токовым выходом и через второй (9) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор.

Изобретение относится к области радиотехники и связи. .

Радиационно-стойкий дифференциальный усилитель // 2475940

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

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.

Операционный усилитель с парафазным выходом // 2536376

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении стабильности операционного усилителя на постоянном токе. Устройство содержит входной дифференциальный каскад с токовыми выходами, согласованный с первой шиной источника питания, первое и второе токовые зеркала, согласованные со второй шиной источника питания, первый и второй токостабилизирующие двухполюсники, первый и второй токовые выходы входного дифференциального каскада связаны с эмиттером первого, второго, третьего и четвертого дополнительных транзисторов противоположного типа проводимости, базы первого и третьего дополнительных транзисторов объединены и подключены к источнику вспомогательного напряжения, коллектор первого дополнительного транзистора соединен со входом первого токового зеркала, коллектор третьего дополнительного транзистора соединен со входом второго токового зеркала, первый вспомогательный выход устройства связан с объединенными базами второго и четвертого дополнительных транзисторов через первый дополнительный резистор, второй вспомогательный выход устройства связан с объединенными базами второго и четвертого дополнительных транзисторов через второй дополнительный резистор. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.