Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).

В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Для повышения коэффициентов усиления по напряжению (К_у) таких ДУ применяются схемы со «следящим» питанием токового зеркала [1-9], которое обеспечивается за счет вспомогательного повторителя напряжения, передающего выходной сигнал токового зеркала в цепь его эмиттерного выхода. Такие схемотехнические решения стали основой многих аналоговых микросхем как отечественного (5005УД1, НПП «Ангстрем» [8]), так и зарубежного производства (AD797, Analog Devices [9]).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в журнале «Радио» (№12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD797)). Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации его цепи нагрузки 6 в виде низкоомного резистора (50-100 Ом) и классическом построении первого 4 буферного усилителя на основе эмиттерного повторителя его коэффициент усиления по напряжению (К_у) получается небольшим.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании в качестве цепи нагрузки сравнительно низкоомного двухполюсника (например, R₆=50÷100 Ом).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки.

Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема, соответствующая п.3 формулы изобретения.

На фиг.4-фиг.5 показаны схема ДУ-прототипа с R₄=∞ (фиг.4) и схема заявляемого ДУ с R₄=R₅=50 Ом (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что при низкоомном двухполюснике нагрузки 6 (R₆=50 Ом в схеме фиг.5) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается на 26 дБ в сравнении с К_у известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологических процессов SGB25H2 с малыми напряжениями питания транзисторов.

На фиг.7 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции при R₆=50 Ом, R₁₀=47 Ом).

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5. В схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 выполнен на основе транзисторов 11, 12 и двухполюсника 13, токовое зеркало 5 включает элементы 14 и 15, а буферный усилитель 5 - двухполюсник 16 и транзистор 17.

На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, параметры первого 4 и второго 9 буферных усилителей, а также параметры первой 6 и второй 10 цепей нагрузки удовлетворяют условию

R₆K_i4≈R₁₀K_il0,

где K_i.4, K_i.9 - коэффициенты усиления по току первого 4 и второго 9 буферных усилителей;

R₆, R₁₀ - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.

На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введен второй 18 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, причем параметры второго 18 вспомогательного повторителя напряжения удовлетворяют следующему условию

R₂₀K_il8≈R₁₉K_i7,

где K_i.7, K_i.18 - коэффициенты усиления по току первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения;

R₁₉, R₂₀ - эквивалентные сопротивления нагрузки 19 и 20 в цепях выходов первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2 при низкоомной нагрузке 6 и K_i4≠∞, K_i9≠∞ (например, K_i4=K_i9=50).

В статическом режиме коллекторные токи (I_кi) транзисторов 11 и 12 устанавливаются двухполюсником 13:

где I₀=I₁₃/2.

Через эмиттерный выход 8 токового зеркала 5 при введении общей отрицательной обратной связи протекает статический ток, равный 2I₀.

Для минимизации напряжения смещения нуля ДУ фиг.2 (U_см) авторы рекомендуют выбирать статический ток двухполюсника 16 на уровне

В качестве буферных усилителей 4 и 6 при работе в ВЧ и СВЧ диапазонах следует использовать классические эмиттерные повторители на одиночных n-p-n транзисторах или так называемые «бриллиантовые» транзисторы.

Первая 6 и вторая 10 цепи нагрузки могут иметь непосредственную или емкостную связь с буферными усилителями 4 и 9.

При реализации ДУ фиг.2 (фиг.3) по SiGe технологии SGB25VD, внедряемой российскими предприятиями, токовое зеркало 5 и повторитель напряжения 7 могут быть реализованы на КМОП транзисторах.

Если на вход Вх.⁽⁺⁾1 подается напряжение u_вх, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 11 и уменьшение коллекторного тока транзистора 12. Как следствие, увеличивается напряжение на токовом выходе 3 (u₃>0) и напряжение в нагрузке 6 (u₆≈u₃). При этом за счет передачи напряжения u₃ в узел 8 и далее на первый 2 токовый выход обеспечивается равенство

Как следствие, в цепи токовых выходов 2 и 3 возникают токи i₂ и i₃:

где r₂≈K_i9R₁₀ - эквивалентное сопротивление в узле 2;

r₃≈K_i4R₆ - эквивалентное сопротивление в узле 3;

K_i9, K_i4 - коэффициенты усиления по току буферных усилителей 9 и 4 (K_i9=20÷80, K_i4=20÷80);

R₆, R₁₀ - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.

Приращение тока i₂ поступает на выход токового зеркала 5. Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов i_пт5=i₂ и i₃. Поэтому разный ток в этом узле:

где i_пт5 - выходной ток токового зеркала 5.

Если выбрать r₃=r₂, то в этом случае эффективное сопротивление в цепи второго 3 токового выхода существенно возрастает

Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 увеличивается

где - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12;

φ_т=26 мВ - температурный потенциал.

В ДУ-прототипе (фиг.1) эквивалентное сопротивление в узле 3

Таким образом, выигрыш по коэффициенту усиления, который дает в сравнении с прототипом схема фиг.2:

Если выбрать K_i4R₆=K_i9R₁₀, то N_у>>1.

Дальнейшим развитием схемы фиг.2 является схема фиг.3, в которой обеспечивается взаимная компенсация не только сопротивлений цепей нагрузки 10 и 6, но и эквивалентных сопротивлений 19 и 20, которые нагружают выходы эмиттерных повторителей 7 и 18. Такая ситуация возникает в ряде частных случаев применения заявляемого ДУ (например, по аналогии с [1, 2, 6]). Для данного варианта ДУ необходимо одновременно обеспечить равенства

В этом случае эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 3 будут одинаковы (r^* ₂=r^* ₃), что является одним из условий повышения К_у.

Представленные на чертеже фиг.6 графики подтверждают данные теоретические выводы. Моделирование схем фиг.1 и фиг.2 показывает, что при выборе R₁₀ несколько меньше, чем R₆, выигрыш по К_у увеличивается на 35÷50 дБ. Причем К_у достигает величины 75÷90 дБ при R₆=50 Ом (фиг.7).

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления по напряжению (К_у) в сравнении с известным ДУ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №4.857.862, fig.1.

2. Патент США №4.595.883, fig.7.

3. Патентная заявка США №2005/00358216, fig.4.

4. Патент США №2006/0044068, fig.1а.

5. А.св. СССР №987605.

6. Патент США №6.822.512.

7. Патент США №4.524.330.

8. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.304. Операционный усилитель 5005УД1 («Ангстрем»).

9. Орлов, А. УМЗЧ с однокаскадным усилением напряжения [Текст] / А.Орлов // Журнал «Радио», №12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD 797).

1. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, первый буферный усилитель, вход которого соединен со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада и выходом токового зеркала, первую цепь нагрузки, связанную с выходом первого буферного усилителя, первый вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, а выход соединен с эмиттерным входом токового зеркала, причем первый токовый выход входного дифференциального каскада соединен со входом токового зеркала, отличающийся тем, что в схему введен второй буферный усилитель, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, а выход подключен ко второй цепи нагрузки.

2. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что параметры первого и второго буферных усилителей, а также параметры первой и второй цепей нагрузки удовлетворяют условиюR₆K_i4≈R₁₀K_i9,где K_i4, K_i9 - коэффициенты усиления по току первого (4) и второго (9) буферных усилителей;R₆, R₁₀ - эквивалентные сопротивления первой (6) и второй (10) цепей нагрузки.

3. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что в схему введен второй вспомогательный повторитель напряжения, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, причем параметры второго вспомогательного повторителя напряжения удовлетворяют следующему условиюR₂₀K_i18≈R₁₉K_i7,где K_i7, K_i18 - коэффициенты усиления по току первого (7) и второго (18) вспомогательных повторителей напряжения;R₁₉, R₂₀ - эквивалентные сопротивления нагрузки (19) и (20) в цепях выходов первого (7) и второго (18) вспомогательных повторителей напряжения.