Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом



Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом
Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом
Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом
Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом
Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом

 


Владельцы патента RU 2479113:

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 и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот за счет обеспечения повышения верхней граничной частоты. Усилитель содержит первый (1) и второй (2) входные транзисторы, резистор местной обратной связи (3), управляемый источник тока (4), первую (5) шину источника питания, первый (6) токовый выход, второй (7) токовый выход, управляющий вход (8), выход вспомогательного усилителя напряжения (9), первый (10) буферный усилитель, первый (11) токостабилизирующий двухполюсник, вторую (12) шину источника питания, второй (13) буферный усилитель, второй (14) токостабилизирующий двухполюсник, первый (15) и второй (16) вспомогательные резисторы, первый (17) и второй (18) выходы устройства, их общий узел (19), первую (20) и вторую (21) паразитные емкости. В усилителе первый (17) выход устройства связан с эмиттером второго (2) входного транзистора через первый (22) корректирующий конденсатор, а второй (18) выход устройства связан с эмиттером первого (1) входного транзистора через второй (23) корректирующий конденсатор. 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе классического входного каскада с местной отрицательной обратной связью и дифференциальным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-22].

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 гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п. [23-24].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 7.795.974, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени (τ1, τ2) в высокоимпедансных коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов:

где r11, r14 - эквивалентные проводимости в коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов;

C20, C21 - эквивалентные емкости, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 1, 11 и 14, 2. Если С2021≤0,5 пФ, а r11≈r14≈106 Ом, то τ21=5·10-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте

устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается повышение верхней граничной частоты fВ ДУ (по уровню - 3дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 показано заявляемое устройство.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления (Ky) ДУ фиг.3 при различных значениях емкостей конденсаторов C1=C2=Cvar, соответствующих элементов 22 и 23 в схеме фиг.2.

На фиг.5 показана зависимость выходных напряжений ДУ фиг.3 при входном сигнале in1=100 мкВ на частоте 1МГц и значениях С1=С2=1 пФ.

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 с входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

Управляемый источник тока 4 реализован в схеме фиг.2 на базе транзисторов 24, 25 и резисторов 26, 27.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается цепью отрицательной обратной связи и токостабилизирующими двухполюсниками 11 и 14. Причем коллекторные (Iкi) токи транзисторов схемы:

IK24=IK25≈I0,

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

Статические напряжения на выходах ДУ 17 и 18 при нулевом входном сигнале (uвх=0) близко к нулю, что обеспечивается вспомогательным усилителем напряжения 9:

В заявляемом ДУ за счет введения корректирующих конденсаторов 22 и 23 почти на порядок расширяется диапазон рабочих частот (фиг.4) - верхняя граничная частота fВ увеличивается от 1,1 мГц до 8,5 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией паразитной емкости на подложку С2021) емкостью корректирующего конденсатора 23 (22). При этом, эффективные емкости С20.эф, С21.эф при R2>>rэ1=rэ2 уменьшаются до величины:

где α1≈α2≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 1 и 2 при токах эмиттера (1÷0,25) мА;

rэ1=rэ2=25÷100 Ом - сопротивления эмиттера переходов транзисторов 1 и 2.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 1 и 2) уменьшаются, что повышает почти на порядок верхнюю граничную частоту fВ ДУ (фиг.4).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.3 показывают (фиг.4), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.2) могут быть построены широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.666.888

2. Патент США №5.767.741

3. Патентная заявка 20020053935

4. Патент США №5.550.512

5. Патент США 5.256.984

6. Патент США №4.439.696

7. А.св. СССР 600545

8. Патент США 5.389.893

9. Патент США 5.914.639

10. Патент США 5.521.544

11. Патент США №4.721.920

12. Патентная заявка 20040251965 A1

13. Патент США №5.065.112

14. Патент США №5.521.544

15. Патент США №4.288.707

16. Патент США №5.774.020

17. Патент США №4.498.053

18. Патент США №5.610.547, фиг.19

19. Патент США №6.369.618, фиг.2

20. Патент США №6.111.463, фиг.1

21. Патент США №5.610.547

22. Патент США 4.385.364

23. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.

24. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей \ Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.Scheytt \\ Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом, содержащий первый (1) и второй (2) входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи (3), управляемый источник тока (4), общая эмиттерная цепь которого соединена с первой (5) шиной источника питания, первый (6) токовый выход соединен с эмиттером первого (1) входного транзистора, второй (7) токовый выход соединен с эмиттером второго (2) входного транзистора, а управляющий вход (8) подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения (9), первый (10) буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого (1) входного транзистора и через первый (11) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (12) шиной источника питания, второй (13) буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго (2) входного транзистора и через второй (14) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (12) шиной источника питания, первый (15) и второй (16) последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым (17) и вторым (18) выходами устройства, общий узел которых (19) связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения (9), первая (20) и вторая (21) паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого (1) и второго (2) входных транзисторов, отличающийся тем, что первый (17) выход устройства связан с эмиттером второго (2) входного транзистора через первый (22) корректирующий конденсатор, а второй (18) выход устройства связан с эмиттером первого (1) входного транзистора через второй (23) корректирующий конденсатор.



 

Похожие патенты:

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. .

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 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.

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.

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.

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.

Группа изобретений относится к усилителю устройства обработки сигналов. Технический результат заключается в обеспечении возможности усиления входного сигнала, содержащего низкочастотный компонент. Когда переключатель (SW1) задается выключенным, а переключатель (SW2) задается включенным, напряжение контактного вывода (205) SigOut стабилизируется с помощью опорного напряжения, и напряжение смещения прикладывается к конденсатору (C1). Изменяя переключатель (SW2) из включенного состояния в выключенное при напряжении смещения, сохраненном в конденсаторе (C1), сигнал обнаружения, который вводится через контактный вывод (201) SigIn, усиливается с помощью опорного напряжения в качестве опорного уровня, и усиленный сигнал выводится из контактного вывода (205) SigOut. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 27 ил.
Наверх