КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

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, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные операционные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов и выходными эмиттерными повторителями [1-13]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для новых технологий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту US 6.262.628, fig.14В (или US 5.568.092, fig.1).
п
п
у
уmax
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (E), характерных для SiGe технологических процессов (E≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (K) получается небольшим (K=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых E не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения K применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения U=0,8÷1,6 В между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения U равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:
Эрли
где U - напряжение Эрли выходного p-n-p транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера p-n-p выходного транзистора ДН.
Эрли
0
у
ДН
эб
Для интегральных транзисторов U=20÷30 В. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения K. Более высокие выходные сопротивления R реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-p транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение p-n-p транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа (фиг.1) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.5 - заявляемого КДУ (фиг.2).
у
График фиг.6 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (K) сравниваемых КДУ фиг.4 и 5.
Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 3 источником питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, первый 5 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, коллектор соединен с базой первого 6 выходного транзистора и через первый 7 резистор коллекторной нагрузки соединен со вторым 8 источником питания, второй 9 вспомогательный транзистор, эмиттер которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора, коллектор соединен с базой второго 10 выходного транзистора и через второй 11 резистор коллекторной нагрузки связан со вторым 8 источником питания, вспомогательный источник напряжения 12, соединенный с базами первого 5 и второго 9 вспомогательных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между выходом 14 устройства, связанным с эмиттером второго 10 выходного транзистора и первым 3 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 6 выходного транзистора и первым 3 источником питания, причем коллекторы первого 6 и второго 10 выходных транзисторов подключены ко второму 8 источнику питания. В схему введен первый 16 и второй 17 дополнительные входные транзисторы, а также третий 18 и четвертый 19 вспомогательные транзисторы, эмиттеры первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, коллектор второго 17 дополнительного входного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания, коллектор первого 16 дополнительного входного транзистора соединен с коллектором первого 1 входного транзистора, базы первого 16 и второго 17 дополнительных входных транзисторов связаны с соответствующими базами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, эмиттер первого 6 выходного транзистора связан с базой четвертого 19 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 19 вспомогательного транзистора подключен к эмиттеру второго 9 вспомогательного транзистора, эмиттеры третьего 18 и четвертого 19 вспомогательных транзисторов объединены и связаны с первым 3 источником питания через четвертый 20 токостабилизирующий двухполюсник, база третьего 18 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером первого 5 вспомогательного транзистора, а коллектор третьего 18 вспомогательного транзистора подключен ко второму 8 источнику питания.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора используется составной транзистор, содержащий биполярный транзистор 21, в эмиттерную цепь которого включены согласующие p-n-переходы 22.
В соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве второго 10 выходного транзистора КДУ, фиг.3, может использовать полевой транзистор с изолированным затвором. При этом отпадает необходимость прменения согласующих p-n-переходов 22.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.
вх
Положительное изменение входного напряжения (u) приводит к изменению эмиттерных токов транзисторов 1, 16 и 2, 17:
эi
0
где  - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора при статическом эмиттерном токе I=I;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
эΣ
э1
э16
э17
э2
Причем суммарное изменение токов общей эмиттерной цепи КДУ i=i+i=i+i.
э1
э16
э2
Приращения i, i и i передаются с единичным коэффициентом передачи через транзисторы 5 и 9 в резисторы коллекторной нагрузки 7 и 11
э
э1
э2
э16
э17
где r=r≈r≈r≈r;
19
i - приращение коллекторного тока транзистора 19, вызванное изменением напряжения на первом 7 резисторе коллекторной нагрузки, причем
э18
э19
где r, r - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 18 и 19;
1-16
S - крутизна усиления сигнала от цепи базы транзистора 1 до базы транзистора 6, причем
э1
э2
где r, r - дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
R1
к2
к19
Поэтому ток в резисторе 11 (i=i+i)
В этой связи коэффициент усиления по напряжению КДУ, фиг.2
В КДУ-прототипе
у
Следовательно, выигрыш по K, который дает предлагаемое техническое решение
к
то есть N>>1.
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление.
Таким образом, в предлагаемом КДУ, фиг.2, при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 7 и 11 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка США 2010/007419, fig.3.
2. Патент США №7737783.
3. Патент США №5568092, fig.1.
4. Патент США №6100759, fig.3.
5. Патентная заявка США 2002/0093380, fig.1.
6. Патентная заявка США 2009/0195312, fig.1.
7. Патент США №3541465, fig.3.
8. Патент США №5440271.
9. Патент США №6262628, fig.14В.
10. Патентная заявка США 2006/0181347, fig.2.
11. Патентная заявка США 2006/0044064, fig.2.
12. Патент США №6011431, fig.3.
13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.