ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
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, СВЧ операционных усилителях (ОУ), компараторах).
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.
В последние годы ДУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1)В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 100÷200 ГГц.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в статье [2], содержащий входной дифференциальный каскад 1 с основными 2 и 3 входами, входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4, первым 5 и вторым 6 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и коллекторами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной источника питания 13 и эмиттерами соответствующих первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 14, третий 15 и четвертый 16 дополнительные резисторы, включенные между эмиттерами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4 входного дифференциального каскада 1, причем парафазными выходами дифференциального усилителя являются эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов.
у
н
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по напряжению (К) при низкоомной нагрузке (например, R=50 Ом).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении коэффициента усиления по напряжению ДУ при низкоомной нагрузке без ухудшения энергетических параметров в статическом режиме.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе с парафазным выходом фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с основными 2 и 3 входами, входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4, первым 5 и вторым 6 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и коллекторами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной источника питания 13 и эмиттерами соответствующих первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 14, третий 15 и четвертый 16 дополнительные резисторы, включенные между эмиттерами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4 входного дифференциального каскада 1, причем парафазными выходами дифференциального усилителя являются эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 18 и второй 19 дополнительные транзисторы, причем база первого 18 дополнительного транзистора связана с эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора, его эмиттер - соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а коллектор подключен к шине источника питания 13, база второго 19 дополнительного транзистора связана с эмиттером первого 9 вспомогательного транзистора, его эмиттер соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора, а коллектор подключен к шине источника питания 13.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
у
На фиг.3-4 показаны схемы ДУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - зависимость К сравниваемых схем (фиг.3, фиг.4) от частоты.
Дифференциальный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с основными 2 и 3 входами, входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4, первым 5 и вторым 6 токовыми выходами, связанными с базами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и коллекторами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной источника питания 13 и эмиттерами соответствующих первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 14, третий 15 и четвертый 16 дополнительные резисторы, включенные между эмиттерами соответствующих первого 7 и второго 8 выходных транзисторов и входом цепи отрицательной обратной связи по синфазному сигналу 4 входного дифференциального каскада 1, причем парафазными выходами дифференциального усилителя являются эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов. В схему введены первый 18 и второй 19 дополнительные транзисторы, причем база первого 18 дополнительного транзистора связана с эмиттером второго 10 вспомогательного транзистора, его эмиттер соединен с коллектором первого 7 выходного транзистора, а коллектор подключен к шине источника питания 13, база второго 19 дополнительного транзистора связана с эмиттером первого 9 вспомогательного транзистора, его эмиттер соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора, а коллектор подключен к шине источника питания 13. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 содержит транзисторы 20, 21, 22 и р-n переход 23.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
Статический режим транзисторов ДУ устанавливается цепью отрицательной обратной связи по синфазному сигналу и источниками тока на транзисторах 9 и 10.
вх
5
6
Если на первый 2 вход ДУ подается положительное напряжение u, то это вызывает изменение напряжений u и u в узлах 5 и 6 и приводит к появлению токов базы транзисторов 7 и 8, а также транзисторов 18 и 19:
бn
эn
где i, (i) - ток базы (эмиттера) n-го транзистора;
n
β - коэффициент усиления по току базы n-го транзистора;
н
- ток нагрузки R.
б18
б19
9
10
б7
б8
Приращения токов базы i, i транзисторов 18 и 19 с коэффициентами усиления по току эмиттера α≈1, α≈1 транзисторов 9 и 10 передаются в узлы 5 и 6 и компенсируют токи базы i, i транзисторов 7 и 8:
В результате эффективные эквивалентные сопротивления в узлах 5 и 6 повышаются:
Это приводит к повышению коэффициента усиления ДУ по напряжению в N-раз:
где
9
10
8
18
7
19
у
н
Так как α≈α≈1, β=β, β=β, то улучшение К достигает одного порядка при весьма низкоомных нагрузках (например, R=50 Ом, соответствующих волновым сопротивлениям линий связи).
Данные теоретические выводы соответствуют результатам компьютерного моделирования схем фиг.3 и фиг.4, представленных графиками фиг.5.
Выигрыш по коэффициенту усиления еще более повышается, если входной дифференциальный каскад 1 выполнен по каскадной схеме.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст]. / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков. / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.
2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth", IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.
3. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz", IEEE BCTM, pp.1-8, Oct. 2006.
4. Патент США № 4.274.394, фиг.2.
5. Патент США № 3.619.797.
6. Патент США № 3.622.902.
7. Патент США № 3.440.554.
8. А.св. СССР № 299013.
9. Патент Англии № 1.175.329, Н3Т.
10. Патент США № 3.304.512.
11. Патент США № 4.371.93.
12. А.св. СССР № 421105.
13. А.св. СССР № 764100.
14. А.св. СССР № 669471.