ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве входных и промежуточных каскадов аналоговых микросхем различного функционального назначения (высокочастотных и сверхвысокочастотных усилителях, драйверах линий связи, фильтрах и т.д.).
Известны высокочастотные усилители на основе дифференциальных каскадов с токовым (эмиттерным) входом [1-20], которые стали основой построения многих аналоговых узлов современных систем связи. Проблема улучшения их параметров относится к числу одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.
В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинают использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии SGB25VD, способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы Х диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако технология SGB25VD накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы
кэ.max
(U=2,9 B или напряжение двуполярного питания ±1,5В). Создание IP блоков для SiGe технологии SGB25VD является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем. Предлагаемое изобретение относится к данному направлению развития микроэлектроники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический высокочастотный дифференциальный каскад (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4065724 (фиг.1а), который содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами, первый 3 и второй 4 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов и первым 5 и вторым 6 токовыми входами дифференциального усилителя, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
Существенный недостаток известного высокочастотного дифференциального усилителя (ВДУ) состоит в том, что он неработоспособен при изменении входного синфазного сигнала более чем на 50÷100 мВ. Этот недостаток наиболее существенно проявляется при использовании заявляемого устройства в качестве входной подсхемы различных аналоговых устройств с дифференциальным входом и непосредственной связью каскадов.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона изменения входных синфазных сигналов ВДУ при сохранении его свойств как усилителя с токовым (низкоомным) дифференциальным входом. Дополнительная цель - построение структуры ВДУ с потенциальным (высокоомным) входом, работоспособной при ее выполнении в рамках техпроцесса SGB25VD.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами, первый 3 и второй 4 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов и первым 5 и вторым 6 токовыми входами дифференциального усилителя, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов включены два последовательно соединенных дополнительных резистора 8 и 9, общий узел 10 которых через дополнительный р-n переход 11 соединен с базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 12.
Предлагаемый высокочастотный дифференциальный усилитель (фиг.2), в соответствии с п.1, п.3 формулы изобретения, содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными базами, первый 3 и второй 4 токостабилизирующие двухполюсники, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов и первым 5 и вторым 6 токовыми входами дифференциального усилителя, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Между эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов включены два последовательно соединенных дополнительных резистора 8 и 9, общий узел 10 которых через дополнительный р-n переход 11 соединен с базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 12.
В устройстве по п.2 формулы изобретения (фиг.2) дифференциальный усилитель имеет первый 13 и второй 14 потенциальные входы, причем между первым 13 потенциальным входом и первым 5 токовым входом включен первый 15 эмиттерный повторитель, а между вторым 14 потенциальным входом и вторым 6 токовым входом включен второй 16 эмиттерный повторитель.
В устройстве фиг.3, соответствующем п.3 формулы изобретения, первый 15 и второй 16 эмиттерные повторители выполнены на основе первого 17 и второго 18 дополнительных транзисторов и первой 19 и второй 20 цепи согласования потенциалов.
В усилителе фиг.4, соответствующем п.4 формулы изобретения, в схему введены первый 21 и второй 22 вспомогательные транзисторы, истоки (эмиттеры) которых подключены к соответствующим потенциальным входам 13 и 14 дифференциального усилителя, стоки (коллекторы) связаны с соответствующими первым 5 и вторым 6 токовыми входами дифференциального усилителя, а затворы объединены и соединены с общим узлом 10 дополнительных резисторов 8 и 9.
На чертеже фиг.5 показана схема заявляемого устройства фиг.2 и ее статический режим (фиг.5б) в среде Cadance на моделях SiGe интегральных транзисторов IHP, а на чертеже фиг.6а - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты для инвертирующего и неинвертирующего выходов, а также фазочастотная характеристика разомкнутого усилителя (фиг.6б).
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
12
0
В статическом режиме ток источника опорного тока 12 I=2I поступает в узел 10 и делится пополам между резисторами 8 (R8) и 9 (R9):
За счет выбора отношения площадей эмиттеров транзисторов 11 и
11
1
11
2
12
0
1 (2) N=S/S=S/S>>1 этим током I=2I устанавливаются токи эмиттера транзисторов 1 и 2:
T
где φ≈25 мВ - температурный потенциал.
5
6
5
6
c
Таким образом, при входных потенциальных сигналах u=u входной ток узла 5 (6) в схеме фиг.2 (в отличие от ВДУ-прототипа) остается постоянным в широком диапазоне их изменения u=u=u.
5
6
c
c
Поэтому синфазное изменение u=u=u не изменяет токи в схеме фиг.2. Здесь входной синфазный сигнал u передается в узел 10 и далее, в цепь базы транзистора 1 (2) с единичной передачей:
12
3
4
c
T
Следовательно, амплитуда синфазного напряжения ДУ фиг.2 не изменяет токи в схеме, которые определяются источником I, резистором 8 (9), р-n переходами транзисторов 1, 2, 11, двухполюсником I (I). Поэтому ВДУ остается работоспособным при u>>2φ.
BX
56
5
6
Дифференциальный сигнал u=u=u-u прикладывается к резисторам 8 и 9 и делится ими пополам
вызывая увеличение напряжения на резисторе 8 и уменьшение на резисторе 9. Это приводит к увеличению напряжения эмиттер-база транзистора 1 и уменьшению напряжения эмиттер-база транзистора 2. Поэтому эмиттерный ток транзистора 11 возрастает, а транзистора 2 уменьшается. Эти приращения передаются в нагрузку 7, с которой снимается усиленный сигнал. При этом входное дифференциальное сопротивление ВДУ остается низкоомным.
5
6
c1
c2
э1
э2
В схеме фиг.3 токи I=I протекают по эмиттерной цепи транзисторов 17, 18 эмиттерных повторителей напряжения 15 и 16. Изменения напряжений на входах 13 и 14 u≠u управляют величиной токов I, I и далее токами коллекторов транзисторов 1 и 2. Схема фиг.3 имеет высокоомные дифференциальные входы 13 и 14.
Особенность схемы фиг.4 в отличие от схемы фиг.3 - наличие полевых транзисторов 21 и 22, потенциал затвора которых устанавливается резисторами 8 и 9. Полевые транзисторы изготавливаются также в рамках техпроцесса SGB25VD.
у
Компьютерное моделирование фиг.6 показывает, что предлагаемый дифференциальный усилитель обеспечивает усиление по напряжению К>1 до частоты 26 ГГц по инвертирующему и неинвертирующему выходам.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение позволяет использовать СВЧ SiGe-транзисторы техпроцесса SGB25VD с относительно низким напряжением питания 2,9 В в структуре не только различных аналоговых устройств, но и СФ блоков систем на кристалле. Этот важный результат расширяет область практического использования SGB25VD технологии и, следовательно, повышает технико-экономические показатели микроэлектронных изделий. Так, например, создание новой (под указанную технологию) схемотехники широкодиапазонных операционных усилителей позволит не только повысить качественные показатели СВЧ фильтров, квадратурных модуляторов, демодуляторов и других устройств нового поколения, образующих СФ блоки СВЧ РЭА, но и создать новую номенклатуру ИС широкого функционального применения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №6621308.
2. Патент США №6639473 (фиг.2).
3. Патент США №5900779.
4. Патент США №5973562.
5. Патент США №4887047.
6. Патент США №3972003.
7. Патент США №4521739.
8. Патент США №4277756.
9. Патент США №6181207.
10. Патент США №4065724.
11. Патент RE 30587.
12. Патент США №6882224.
13. Патент США №4232271.
14. Патент США №5345073.
15. Патентная заявка США №2005/0140443.
16. Патентная заявка США №2005/0140444.
17. Патент Франции №2337969.
18. Патент Японии № 2001308658.
19. Авт. св. СССР №711665.
20. Авт. св. СССР №1084961.