ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH LOW SUPPLY VOLTAGE

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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания.
вx
вх.1
вх.2
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на основе двух параллельно включенных (по входу) дифференциальных каскадов с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов. ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-12]. Однако такие ДУ имеют недостаточно высокое входное дифференциальное сопротивление (R) и повышенные входные статические токи (I I), что обусловлено параллельным включением двух идентичных входных дифференциальных каскадов.
ос.сф
ос.сф
П
П
Кроме этого известные ДУ характеризуются недостаточно высоким коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов (К) при использовании в общей эмиттерной цепи в качестве токостабилизирующих двухполюсников пассивных элементов (резисторов), что отрицательно сказывается на точности аналоговых интерфейсов с их использованием. Это связано с тем, что для получения больших значений К необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих двухполюсников (резисторов) на уровне сотен килоом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании (Е=1,5÷5 В). С другой стороны, при малых напряжениях питания (Е=±1 В) применение резисторов в качестве токостабилизирующих двухполюсников является единственным вариантом построения дифференциальных каскадов, так как другие схемы их построения по биполярным технологиям требуют напряжения питания не менее 1,5 В).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в авторском свидетельстве СССР №459780. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания.
вх
ос.сф
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет невысокое входное дифференциальное сопротивление (R), а также сравнительно большие входные токи и малый коэффициент ослабления входных синфазных сигналов (К). Причем второй недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников 4 и 12 резисторов или простейших источников тока на транзисторах с малым напряжением Эрли (А.св. СССР №459780), которые при милиамперных токах имеют небольшое внутреннее сопротивление (порядка 30-60 КОм).
вx
ос.сф
ос.сф
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении R и уменьшении входных статических токов. Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К) при относительно небольших внутренних сопротивлениях первого 4 и второго 12 токостабилизирующих двухполюсников. При этом в заявляемом ДУ в качестве токостабилизирующих двухполюсников при низковольтном питании могут применяться сравнительно низкоомные резисторы (единицы килоом). Тем не менее это несущественно сказывается на численных значениях К.
Поставленные задачи решаются тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - токовое зеркало 7 содержит первый 13 и второй 14 дополнительные токовые выходы, первый 13 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с базой вспомогательного транзистора 10 и эмиттером дополнительного транзистора 15, база дополнительного транзистора 15 соединена с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, его коллектор подключен к первой 3 шине источника питания, а второй 14 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа. Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения показана на чертеже фиг.2, а на чертеже фиг.3 приведена схема ДУ фиг.2 с конкретным построением токового зеркала 7.
На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях SiGe интегральных транзисторов.
На чертеже фиг.5 показаны частотные зависимости коэффициента ослабления входных синфазных сигналов сравниваемых схем ДУ.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и связаны с первой 3 шиной источника питания через первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 1 входного транзистора соединен с первым 5 выходом устройства и первым 6 выходом токового зеркала 7, согласованного со второй 8 шиной источника питания, коллектор второго 2 выходного транзистора соединен со вторым 9 выходом устройства, вспомогательный транзистор 10, коллектор которого подключен ко входу 11 токового зеркала 7, а эмиттер через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первой 3 шиной источника питания. Токовое зеркало 7 содержит первый 13 и второй 14 дополнительные токовые выходы, первый 13 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с базой вспомогательного транзистора 10 и эмиттером дополнительного транзистора 15, база дополнительного транзистора 15 соединена с объединенными эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, его коллектор подключен к первой 3 шине источника питания, а второй 14 дополнительный токовый выход токового зеркала 7 соединен с коллектором второго 2 входного транзистора.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 4 и второй 12 токостабилизирующие двухполюсники имеют одинаковые внутренние сопротивления. При этом коэффициенты передачи токового зеркала 7 с его входа 11 к первому 6 токовому выходу и второму 14 дополнительному токовому выходу имеют значения, близкие к 0,5.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2
c1
c2
Статический режим ДУ фиг.2 при нулевых входных напряжениях u=u=0 обеспечивается первым 4 и вторым 12 токостабилизирующими двухполюсниками. При этом статическое падение напряжения на токостабилизирующих двухполюсниках (в частном случае - резисторах) 12 и 4 одинаково и при одинаковых сопротивлениях R4=R12 через них текут одинаковые статические токи.
вх.Σ.п
Входная дифференциальная проводимость (У) ДУ-прототипа (фиг.1) для входа Вх.1 определяется суммой входных проводимостей двух параллельно включенных дифференциальных каскадов
вх.1-2
где У - входная проводимость дифференциального каскада на транзисторах 1 и 2;
вх.10
У - входная проводимость дифференциального каскада на основе вспомогательного транзистора 10. Причем
1
i
где β, β - коэффициенты усиления по току базы транзисторов 1 и 10;
T
φ≈25 мВ - температурный потенциал;
эi
r - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора;
0
эi
I=I - статический эмиттерный ток i-го транзистора.
Входная проводимость заявляемого ДУ фиг.2 определяется только входным транзистором 1 (фиг.2), т.е.
вх.Σ.н
вх.1-2
У=У.
вх
вх
Таким образом, в заявляемом устройстве входное сопротивление R в два раза выше, чем R в известном устройстве.
вx.1
вх.2
Аналогично можно показать, что статические входные токи I, I в заявляемом ДУ фиг.2 в два раза меньше, чем в ДУ-прототипе фиг.1.
c
c1
c
Рассмотрим далее работу ДУ фиг.2 при синфазных входных сигналах u=u=u.
c1
c2
c
4
12
Если на входы ДУ фиг.2 подаются входные синфазные напряжения u=u=u, то это вызывает изменение токов 2i и 2i через двухполюсники 4 и 12:
где ,  - внутренние сопротивления двухполюсников 4 и 12;
Э15
c
u - приращение напряжения на эмиттерах входных транзисторов 1 и 2, вызванное изменением u;
Э15
Э
C
u≈u≈u - приращение напряжения на эмиттере дополнительного транзистора 15.
4
н1
н2
н1
н2
c
Ток 2i делится пополам между эмиттерами транзисторов 1 и 2, далее, передается на выходы 5 и 9 и создает в двухполюсниках нагрузки R, R первые составляющие выходных токов i, i, обусловленные влиянием синфазного сигнала u:
i
где α - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора.
6
14
c
н1
н2
6
14
Вторые составляющие выходных токов (i, i), обусловленные влиянием u и направленные в двухполюсниках нагрузки R R противофазно первым составляющим i, i, создаются токовым зеркалом 7:
i6
i14
где К, К - коэффициенты передачи по току токового зеркала 7 к выходу 6, к выходу 14 соответственно.
н1
н2
н1
н2
н1
н2
сф
Поэтому результирующие токи i, i в нагрузках R R и напряжение на двухполюсниках нагрузки R, R а также коэффициенты передачи синфазного сигнала К со входов Вх.1, Вх.2 к выходам ДУ 5 и 9:
4
12
где у, у - проводимости токостабилизирующих двухполюсников 4 и 12;
сф.1
сф.2
К, К - коэффициенты передачи синфазного сигнала ДУ фиг.2 к выходам 5 и 9.
вх
с1
c2
Усиление дифференциального сигнала u=u-u к выходам 5 и 9 можно найти по формулам:
Поэтому коэффициенты ослабления входных синфазных сигналов для выходов 5 и 9:
10
1
2
12
4
i6
i14
12
4
оc.сф
Если учесть, что α=α=α и y=у, а также при выборе в соответствии с п.2 формулы изобретения К=К=0,5, то из (16)-(17) следует, что коэффициент ослабления входных синфазных сигналов ДУ фиг.2 существенно повышается, причем абсолютные неодинаковые значения у и у слабо влияют на К.
ос.сф
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами (фиг.5) моделирования частотной зависимости коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ фиг.6., т.е. заявляемый ДУ имеет более высокие значения коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (К) при сравнительно низкоомных двухполюсниках 4 и 12. Однако данная схема эффективна и при других вариантах построения цепей стабилизации статического режима.
вх
вх.1
вx.1
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение обеспечивает повышение R, уменьшение входных статических токов (I, I) при достаточно высоком ослаблении синфазных сигналов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ав.св. СССР №459780
2. Патент US 4.618.833
3. Патентная заявка US 2005/0200411
4. Патент US №6.917.257, fig.1
5. Патентная заявка US 2005/0200411, fig.2, fig.6
6. Патент США 5.373.741
7. Патент США 6.172.551
8. Патент США 4.866.397
9. Патент США 5.936.468
10. Патентная заявка US 2003/0141919
11. Патент DE 10321442
12. Патент JP 2004040157