ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
WIDEBAND DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH PARAPHASE OUTPUT

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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.
Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе классического входного каскада с местной отрицательной обратной связью и дифференциальным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-22].
Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п. [23-24].
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 7.795.974, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
1
2
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени (τ, τ) в высокоимпедансных коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов:
11
14
где r, r - эквивалентные проводимости в коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов;
20
21
20
21
11
14
2
1
6
-7
C, C - эквивалентные емкости, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 1, 11 и 14, 2. Если С=С≤0,5 пФ, а r≈r≈10 Ом, то τ=τ=5·10 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте
устройства.
В
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается повышение верхней граничной частоты f ДУ (по уровню - 3дБ).
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показано заявляемое устройство.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления (Ky) ДУ фиг.3 при различных значениях емкостей конденсаторов C1=C2=Cvar, соответствующих элементов 22 и 23 в схеме фиг.2.
На фиг.5 показана зависимость выходных напряжений ДУ фиг.3 при входном сигнале in1=100 мкВ на частоте 1МГц и значениях С1=С2=1 пФ.
Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 с входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.
Управляемый источник тока 4 реализован в схеме фиг.2 на базе транзисторов 24, 25 и резисторов 26, 27.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
кi
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается цепью отрицательной обратной связи и токостабилизирующими двухполюсниками 11 и 14. Причем коллекторные (I) токи транзисторов схемы:
K24
K25
0
I=I≈I,
0
где I - заданное значение опорного тока, например 1 мА.
вх
Статические напряжения на выходах ДУ 17 и 18 при нулевом входном сигнале (u=0) близко к нулю, что обеспечивается вспомогательным усилителем напряжения 9:
В
20
21
20.эф
21.эф
2
э1
э2
В заявляемом ДУ за счет введения корректирующих конденсаторов 22 и 23 почти на порядок расширяется диапазон рабочих частот (фиг.4) - верхняя граничная частота f увеличивается от 1,1 мГц до 8,5 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией паразитной емкости на подложку С (С) емкостью корректирующего конденсатора 23 (22). При этом, эффективные емкости С, С при R>>r=r уменьшаются до величины:
1
2
где α≈α≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 1 и 2 при токах эмиттера (1÷0,25) мА;
э1
э2
r=r=25÷100 Ом - сопротивления эмиттера переходов транзисторов 1 и 2.
В
В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 1 и 2) уменьшаются, что повышает почти на порядок верхнюю граничную частоту f ДУ (фиг.4).
Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.3 показывают (фиг.4), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.2) могут быть построены широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.666.888
2. Патент США №5.767.741
3. Патентная заявка 20020053935
4. Патент США №5.550.512
5. Патент США 5.256.984
6. Патент США №4.439.696
7. А.св. СССР 600545
8. Патент США 5.389.893
9. Патент США 5.914.639
10. Патент США 5.521.544
11. Патент США №4.721.920
12. Патентная заявка 20040251965 A1
13. Патент США №5.065.112
14. Патент США №5.521.544
15. Патент США №4.288.707
16. Патент США №5.774.020
17. Патент США №4.498.053
18. Патент США №5.610.547, фиг.19
19. Патент США №6.369.618, фиг.2
20. Патент США №6.111.463, фиг.1
21. Патент США №5.610.547
22. Патент США 4.385.364
23. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.
24. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей \ Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.Scheytt \\ Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.