ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
DIFFERENTIAL AC 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, ВЧ- и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).
В современной микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители переменного тока (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал (ТЗ), которые позволяют получить высокий коэффициент усиления. Особое место в этом классе ДУ занимают несимметричные [1-3] и симметричные [4] схемы на основе так называемого «перегнутого» включения токовых зеркал, которые могут быть реализованы только на n-р-n-транзисторах, либо с применением некачественных р-n-р-транзисторов в структуре токостабилизирующих двухполюсников. В связи с широким внедрением в России и других странах мира SiGe технологии SG25VD, не допускающей применение р-n-р активных элементов, совершенствование схемотехники рассматриваемого класса устройств представляет собой достаточно актуальную задачу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель в устройстве по заявке US 2004/0008085, fig.5.
п
п
у
уmax
п
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-3], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим (К=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и его работе с переменными сигналами ВЧ- и СВЧ-диапазонов.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе переменного тока (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.4 представлена схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
у
13
0
15
1
График фиг.4 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (К) ДУ (фиг.3) при разных значениях емкости разделительных конденсаторов С=С=С=С=υar.
Дифференциальный усилитель переменного тока (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, включенные между соответствующими первым 2, вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1 и первой 6 шиной источника питания, первое 7 и второе 8 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых соединены со второй 9 шиной источника питания, вход первого 7 токового зеркала соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом первого 10 двухполюсника нагрузки и первым выходом устройства, вход второго 8 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а его токовый выход связан с первым выводом второго 11 двухполюсника нагрузки. Второй вывод первого 10 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через первый 12 дополнительный резистор и через первый 13 разделительный конденсатор связан со входом второго 8 токового зеркала, а второй вывод второго 11 двухполюсника коллекторной нагрузки соединен с первой 6 шиной источника питания через второй 14 дополнительный резистор и через второй 15 разделительный конденсатор соединен со входом первого 7 токового зеркала. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и источнике тока 18.
Первое 7 токовое зеркало реализовано на основе транзистора 19 и р-n-перехода 20, второе 8 токовое зеркало включает транзистор 21 и р-n-переход 22.
Статический режим ДУ (фиг.2) устанавливается источником тока 18, а также токостабилизирующими двухполюсниками 4 и 5.
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.
13
15
Предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» при емкостях разделительных конденсаторов 13 (С) и 15 (C), равных нулю и R10>>R12, R11>>R14, определяется сопротивлением первого 10 резистора коллекторной нагрузки:
1-2
э16
э17
э16
э17
-1
где S≈(r+r) - крутизна усиления ДУ в режиме короткого замыкания по его выходу «Вых.1», зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (r, r) транзисторов 16 и 17.
у
у
13
15
Более высокие значения К в диапазоне средних частот, когда влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 на К можно пренебречь, реализуются в схеме фиг.2 при С=С≠0.
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ (фиг.2) по выходу «Вых.1» определяется по формуле:
где  - комплекс эквивалентного выходного импеданса в цепи первого выхода устройства (узел В);  - комплексная крутизна ДУ в режиме короткого замыкания его первого выхода.
Комплекс эквивалентной нагрузки  можно найти по формуле:
где  - выходной ток узла «В» в классическом режиме определения выходного сопротивления электронной подсхемы.
Причем
,
- комплексы входного и выходного токов первого 7 токового зеркала;
,  - комплексы токов через двухполюсники 10 и 11;
- комплекс импеданса второго 15 разделительного конденсатора;
вх.7
, r - коэффициент передачи по току первого 7 токового зеркала и его входное сопротивление.
вых.1
вых.2
вых
После преобразований последней формулы с учетом симметрии схемы (u=u=u) находим, что
Поэтому комплекс коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.2
или при :
где  - коэффициент усиления ДУ-прототипа.
у
Таким образом, выигрыш по К, который дает схема ДУ фиг.2 в сравнении с прототипом фиг.1:
В области средних частот, когда можно пренебречь влиянием емкостей конденсаторов 13 и 15 на  и :
Из уравнения (8) следует ряд важных выводов:
у
i7
10
11
вх.7
14
1. Во-первых, эффективность по К предлагаемого схемотехнического решения фиг.2 зависит от параметров: К, R/R, r/R.
у
2. Во-вторых, для получения максимального выигрыша по Кнеобходимо выбирать:
В этом случае .
у
15
13
1
0
График фиг.4, полученный в результате моделирования схемы фиг.3 в среде Cadence, показывает, что выигрыш по К в диапазоне средних частот, в котором влиянием емкостей разделительных конденсаторов 13 и 15 (C=C=C=C) можно пренебречь, достигает 16 дБ (т.е. почти десять раз).
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ-устройствах, реализуемых по внедряемому в России техпроцессу SG25VD, не допускающему применение р-n-р-транзисторов.
Источники информации
1. Патент США №4.418.290 fig.10.
2. Патент США №5.376.897.
3. Патент США №4.366.445.
4. Патентная заявка США 2004/0008085.