Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала

Авторы патента:

Бугакова Анна Витальевна (RU)

Жук Алексей Андреевич (RU)

Прокопенко Николай Николаевич (RU)

Пахомов Илья Викторович (RU)

H03F3/45 - дифференциальные усилители

Владельцы патента RU 2637465:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) (RU)

Изобретение относится к области электроники и радиотехники. Технический результат: уменьшение коэффициента передачи входного синфазного сигнала. Технический результат достигается за счет новых элементов и связей, введенных в дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала: второй (3) токовой выход входного дифференциального каскада (1) связан со входом второго (9) токового зеркала через первую (10) цепь согласования потенциалов, а четвертый (5) токовый выход входного дифференциального каскада (1) связан со входом первого (7) токового зеркала через вторую (11) цепь согласования потенциалов. 5 ил.

Изобретение относится к области электроники и измерительной техники и может быть использовано в качестве устройства усиления сигналов различных датчиков, в структуре аналоговых микросхем, работающих в условиях синфазных помех.

Для работы в составе измерительных систем необходимы дифференциальные усилители сигналов различных сенсоров, обеспечивающие высокое ослабление синфазной составляющей двух входных напряжений.

В современной электронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с многоканальным входным каскадом, работающим на симметричную дифференциальную нагрузку на основе двух токовых зеркал [1-10]. Благодаря такому решению имеется потенциальная возможность существенного уменьшения коэффициента передачи синфазного сигнала (К_сф), которая, однако, не всегда реализуется.

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту US №1385255. Он содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, третий 4 и четвертый 5 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, причем фазы выходных токов первого 2 и второго 3 токовых выходов входного дифференциального каскада 1 противоположны фазам выходных токов третьего 4 и четвертого 5 токовых выходов входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход устройства, связанный с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом первого 7 токового зеркала, второй 8 токовый выход устройства, связанный с третьим 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом второго 9 токового зеркала, причем второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом второго 9 токового зеркала, а четвертоый 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом первого 7 токового зеркала.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он характеризуется невысоким значением коэффициента ослабления входного синфазного сигнала

где K_d>>1 - дифференциальный коэффициент усиления ДУ;

К_сф<<1 - коэффициент передачи входного синфазного сигнала ДУ.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в уменьшении коэффициента передачи синфазного сигнала К_сф при неизменном K_d. В конечном итоге это повышает К_ос.сф (1).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, третий 4 и четвертый 5 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, причем фазы выходных токов первого 2 и второго 3 токовых выходов входного дифференциального каскада 1 противоположны фазам выходных токов третьего 4 и четвертого 5 токовых выходов входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход устройства, связанный с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом первого 7 токового зеркала, второй 8 токовый выход устройства, связанный с третьим 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом второго 9 токового зеркала, причем второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом второго 9 токового зеркала, а четвертый 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом первого 7 токового зеркала, предусмотрены новые элементы и связи - второй 3 токовой выход входной дифференциального каскада 1 связан со входом второго 9 токового зеркала через первую 10 цепь согласования потенциалов, а четвертый 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом первого 7 токового зеркала через вторую 11 цепь согласования потенциалов.

На фиг. 1 показана схема ДУ-прототипа, а на фиг. 2 - функциональная схема заявляемого ДУ в соответствии с формулой изобретения.

На фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства с конкретным выполнением входного дифференциального каскада 1, который в данном случае соответствует входному каскаду ДУ-прототипа.

На фиг. 4 приведена схема заявляемого ДУ фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1.4 (ОАО «Интеграл», г. Минск).

На фиг. 5 представлена частотная зависимость коэффициента передачи синфазного сигнала К_сф схемы ДУ фиг. 4 от величины напряжений на цепях согласования потенциалов (10 и 11): Е10=Е11=V4=V6=vvar=5B и Е10=Е11=V4=V6=vvar=0B для случая, когда статическое напряжение на выходах 6 и 8 равно 5В.

Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала (фиг. 2) содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, третий 4 и четвертый 5 синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада 1, причем фазы выходных токов первого 2 и второго 3 токовых выходов входного дифференциального каскада 1 противоположны фазам выходных токов третьего 4 и четвертого 5 токовых выходов входного дифференциального каскада 1, первый 6 токовый выход устройства, связанный с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом первого 7 токового зеркала, второй 8 токовый выход устройства, связанный с третьим 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом второго 9 токового зеркала, причем второй 3 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом второго 9 токового зеркала, а четвертый 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом первого 7 токового зеркала. Второй 3 токовой выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом второго 9 токового зеркала через первую 10 цепь согласования потенциалов, а четвертый 5 токовый выход входного дифференциального каскада 1 связан со входом первого 7 токового зеркала через вторую 11 цепь согласования потенциалов. Рассмотрим работу заявляемого ДУ (фиг. 2).

ДУ рассматриваемого класса характеризуется (благодаря высокой симметрии) потенциально высоким значением коэффициента ослабления входных синфазных сигналов. Однако на практике эти возможности не реализуются из-за влияния на К_сф напряжений Эрли выходных транзисторов входного дифференциального каскада 1.

Изменение входного синфазного сигнала на величину u_c приводит к изменению тока i_R0 общей истоковой цепи входного дифференциального каскада

Приращение данного тока i_R0 передается в истоки транзисторов 12 и 13 и вызывает соответствующие приращения токов эмиттера i_’ транзисторов 16 и 17 (18, 19):

При этом токи выходов 2, 4, 3, 5 и выходные токи первого 7 и второго 9 токовых зеркал:

В результате для первого 6 токового выхода устройства можно найти приращение тока в нагрузке R_н1, выходное напряжение u_вых.6, а также коэффициент К_сф.6 для данного выхода:

Из последнего уравнения следует, что при выполнении условий

коэффициент передачи синфазного сигнала К_сф близок к нулю, что соответствует высоким значениям К_ос.сф.

Однако на практике условие (16) не реализуется из-за неодинакового деления тока стока i_c транзистора 12 (13) между эмиттерами транзисторов 16 и 17 (транзисторов 18, 19). Данный эффект обусловлен влиянием напряжения Эрли транзисторов 16 и 17 на данное перераспределение тока i_c12 (i_c13). На практике ток эмиттера и коллектора транзистора 17 (19) будет всегда больше, чем ток эмиттера и коллектора транзистора 16 (18). Это связано с более высоким уровнем напряжения коллектор-база транзисторов 17 (19) по сравнению с напряжением коллектор-база транзистора 16 (18). Как следствие, коэффициент К_сф в ДУ-прототипе получается небольшим.

Для уменьшения коэффициента К_сф в заявляемую схему вводятся цепи согласования потенциалов 10 и 11, которые выравнивают коэффициенты деления тока стока транзистора 12 (13) между эмиттерами транзисторов 16 и 17 (транзисторов 18 и 19). Это позволяет получить полную взаимную компенсацию токов от синфазного сигнала в цепи выходов 6 и 8. Данный вывод подтверждается результатами компьютерного моделирования, представленными на фиг. 5. За счет выбора параметров цепей согласования 10 и 11 коэффициент передачи синфазного сигнала предлагаемого ДУ уменьшается с -57 дБ до -198 дБ, т.е. более чем в несколько миллионов раз.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом по ослаблению синфазных сигналов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент SU 1385255

2. Патент US 6.972.623, fig. 7

3. Патентная заявка US 2005/0285677, fig. 1

4. Патент US 4.417.292, fig. 1

5. Патент US 5.070.306, fig. 3

6. Патент US 5.955.922

7. Патент US 5.610.547, fig. 34

8. Патентная заявка US 2010/001797, fig. 3

9. Патентная заявка US 2014/0197888

10. Патент US 5.610.547, fig. 28

Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала, содержащий входной дифференциальный каскад, первый и второй синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада, третий и четвертый синфазные друг с другом токовые выходы входного дифференциального каскада, причем фазы выходных токов первого и второго токовых выходов входного дифференциального каскада противоположны фазам выходных токов третьего и четвертого токовых выходов входного дифференциального каскада, первый токовый выход устройства, связанный с первым токовым выходом входного дифференциального каскада и выходом первого токового зеркала, второй токовый выход устройства, связанный с третьим токовым выходом входного дифференциального каскада и выходом второго токового зеркала, причем второй токовый выход входного дифференциального каскада связан со входом второго токового зеркала, а четвертый токовый выход входного дифференциального каскада связан со входом первого токового зеркала, отличающийся тем, что второй токовой выход входного дифференциального каскада связан со входом второго токового зеркала через первую цепь согласования потенциалов, а четвертый токовый выход входного дифференциального каскада связан со входом первого токового зеркала через вторую цепь согласования потенциалов.

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в уменьшении систематической составляющей напряжения смещения нуля.

Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель // 2627094

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: уменьшение систематической составляющей напряжения смещения нуля, а также создание условий для применения в схеме заявляемого устройства КМОП транзисторов.

Многоканальный быстродействующий операционный усилитель // 2626667

Изобретение относится к области аналоговой микроэлектроники. Технический результат: повышение быстродействия ОУ в режиме большого сигнала до уровня 20000 В/мкс.

Низкотемпературный радиационно-стойкий мультидифференциальный операционный усилитель // 2624585

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления электрических сигналов различных датчиков.

Инструментальный усилитель для работы при низких температурах // 2624565

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов различных датчиков. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала при работе в диапазоне низких температур.

Мультиплексор потенциальных сигналов датчиков // 2621292

Изобретение относится к области радиоэлектроники и вычислительной техники. Технический результат заключается в обеспечении дополнительно к режиму последовательного во времени преобразования входных потенциальных сигналов в выходное напряжение, алгебраического суммирования входных дифференциальных и недифференциальных напряжений, а также изменения их фазы в процессе мультиплексирования.

Дифференциальный инструментальный усилитель с парафазным выходом // 2621291

Изобретение относится к области аналоговой усилительной техники. Технический результат: повышение значения коэффициента передачи по напряжению.

Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления // 2621289

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления широкополосных сигналов. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению (Ку) при сохранении высокой температурной и радиационной стабильности напряжения смещения нуля.

Мультидифференциальный операционный усилитель // 2621287

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат - уменьшение напряжения смещения нуля, повышение стабильности при низких температурах и воздействии радиации.

Дифференциальный операционный усилитель для работы при низких температурах // 2621286

Изобретение относится к области электроники. Технический результат - повышение коэффициента ослабления входного синфазного сигнала.

Широкополосный дифференциальный операционный усилитель // 2641445

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат заключается в повышении верхней граничной частоты коэффициента усиления по напряжению без увеличения тока потребления. Усилитель содержит: первый входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой шиной источника питания, первый вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения, а коллектор соединен с эмиттером первого выходного транзистора и через первый токостабилизирующий двухполюсник соединен со второй шиной источника питания, второй вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада, база подключена к вспомогательному источнику напряжения смещения, а коллектор соединен с эмиттером второго выходного транзистора и через второй токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второй шине источника питания, цепь нагрузки, первый выход устройства, связанный с первым входом цепи нагрузки и коллектором первого выходного транзистора, второй выход устройства, связанный со вторым входом цепи нагрузки и коллектором второго выходного транзистора, а база первого выходного транзистора соединена с эмиттером первого вспомогательного транзистора, база второго выходного транзистора подключена к эмиттеру второго вспомогательного транзистора. 7 ил.

Биполярно-полевой операционный усилитель // 2642337

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в расширении диапазона изменения отрицательного выходного напряжения ОУ до уровня, близкого к напряжению на второй (12) шине источника питания, и повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф) ОУ. Биполярно-полевой операционный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1), шину источника питания, полевой транзистор, резистивную цепь установления статического режима (17), связанную с шиной источника питания, выходной биполярный транзистор. 6 ил.

Неинвертирующий усилитель переменного тока // 2642338

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве неинвертирующего усилителя переменного тока с коэффициентом передачи по току больше единицы. Технический результат: повышение коэффициентов усиления по току до уровня, который превышает единичное значение. Неинвертирующий усилитель переменного тока содержит источник входного токового сигнала, связанный с эмиттером первого выходного транзистора, первый токостабилизирующий двухполюсник, первый и второй выходные транзисторы, первую шину источника питания, источник напряжения смещения, второй токостабилизирующий двухполюсник, двухполюсник нагрузки, включенный между токовым выходом устройства и второй шиной источника питания. В схему введен дополнительный транзистор, база которого соединена с эмиттером первого выходного транзистора, коллектор связан со второй шиной источника питания, эмиттер соединен с первой шиной источника питания через третий токостабилизирующий двухполюсник и через дополнительный конденсатор связан с эмиттером второго выходного транзистора, причем базы первого и второго выходных транзисторов соединены друг с другом. 4 ил.

Неинвертирующий усилитель переменного тока // 2642338