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 усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-11]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых (аналогово-цифровых) устройств и является базовой как для традиционных, так и для новых технологий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель по патенту US №7.400.196, fig.3.
п
п
у
уmax
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного КДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-11], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤2,0÷2,5 B), 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. Поэтому для повышения К иногда 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 шиной источника питания и выходом ДН. Причем численные значения U равны 0,8 B для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:
Эрли
где U - напряжение Эрли выходного p-n-р-транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера p-n-р-выходного транзистора ДН.
Эрли
0
у
ДН
дн
эб
Для интегральных транзисторов U=20÷30 B. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения К. 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 U между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 B. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме этого, не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-р-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 КДУ неэффективны.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к первому 3 входу устройства, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, базы которых подключены ко второму 6 входу устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого 1, второго 2, третьего 4 и четвертого 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 выходные транзисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 8 шиной источника питания, база первого 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и первым выводом первого 14 вспомогательного резистора, база второго 12 вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего 4 входного транзистора и первым выводом второго 15 вспомогательного резистора, первый 16 и второй 17 двухполюсники нагрузки, вторую 18 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 9 выходного транзистора и коллектором второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 5 входного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора и коллектором первого 11 вспомогательного транзистора, базы первого 9 и второго 10 выходных транзисторов соединены с шиной вспомогательного источника питания 19, коллектор первого 9 выходного транзистора связан с первым 20 выходом устройства и через первый 16 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора связан со вторым 21 выходом устройства и через второй 17 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, причем вторые выводы первого 14 и второго 15 вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания 22.
На фиг.1 показана схема КДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема КДУ фиг.2 для случая, когда элементы 14 и 15 реализованы в виде р-n переходов.
На фиг.4 показана схема КДУ-прототипа в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 показана схема заявляемого КДУ в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
у
График фиг.6 характеризует частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (К) КДУ фиг.4 и фиг.5, полученные в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
13
3
На фиг.7 представлена зависимость коэффициента усиления КДУ фиг.5 от тока второго 13 токостабилизирующего двухполюсника I=I (фиг.5) на частоте f=1 МГц.
Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к первому 3 входу устройства, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, базы которых подключены ко второму 6 входу устройства, первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными эмиттерами первого 1, второго 2, третьего 4 и четвертого 5 входных транзисторов и первой 8 шиной источника питания, первый 9 и второй 10 выходные транзисторы, первый 11 и второй 12 вспомогательные транзисторы, эмиттеры которых через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 8 шиной источника питания, база первого 11 вспомогательного транзистора соединена с коллектором второго 2 входного транзистора и первым выводом первого 14 вспомогательного резистора, база второго 12 вспомогательного транзистора соединена с коллектором третьего 4 входного транзистора и первым выводом второго 15 вспомогательного резистора, первый 16 и второй 17 двухполюсники нагрузки, вторую 18 шину источника питания. Коллектор первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 9 выходного транзистора и коллектором второго 12 вспомогательного транзистора, коллектор четвертого 5 входного транзистора соединен с эмиттером второго 10 выходного транзистора и коллектором первого 11 вспомогательного транзистора, базы первого 9 и второго 10 выходных транзисторов соединены с шиной вспомогательного источника питания 19, коллектор первого 9 выходного транзистора связан с первым 20 выходом устройства и через первый 16 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, коллектор второго 10 выходного транзистора связан со вторым 21 выходом устройства и через второй 17 двухполюсник нагрузки подключен ко второй 18 шине источника питания, причем вторые выводы первого 14 и второго 15 вспомогательных резисторов подключены к дополнительному источнику питания 22.
19
На фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 1-2 и 4-15, статический режим которых устанавливается первым 7 токостабилизирующим двухполюсником. Выходной дифференциальный каскод реализован на транзисторах 9 и 10, статический режим которых по цепи базы устанавливается вспомогательным источником питания 19 (Е). Коллекторная нагрузка КДУ реализована на резисторах 16 и 17, связанных со второй 18 шиной положительного источника питания.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.
Приращения коллекторных токов транзисторов 1÷5 в схеме фиг.2 зависят от входного напряжения:
где  - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 1-5;
т
φ=25 мВ - температурный потенциал.
к2
к4
Ток i (i) создает на резисторах 14 и 15 переменное напряжение:
В результате между базами транзисторов 11 и 12 образуется приращение напряжений:
которое преобразуется в коллекторные токи транзисторов 11 и 12:
Таким образом, приращение эмиттерного (коллекторного) тока транзистора 9:
или после преобразований:
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению заявляемого КДУ относительно выхода Вых.1:
13
0
7
0
Если выбрать I=2I, I=4I, то
При реальных значениях параметров последнюю формулу можно упростить:
0
у
Когда I=1 мА, R16=R14=1 кОм, из (6)-(10) получаем, что К≈400. Это значительно лучше, чем в ДУ-прототипе.
13
3
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6, фиг.7). Данные графики показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление, которое может изменяться за счет тока второго 13 токостабилизирующего двухполюсника I=I.
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ-устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патентная заявка US №2007/0188232
2. Патент США №5.461.342, fig.1
3. Патент США №7.236.011, fig.4
4. Патент UK №1.520.085, кл. НЗТ, fig.2
5. Патент США №3.482.177
6. Патент DE№2.418.455
7. Патент RU №2.282.303, fig.2
8. Патент США №5.568.092, fig.1
9. Патент США №5.440.271, fig.1
10. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: РадиоСофт, 2002. - С.142, рис.6.64.
11. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: РадиоСофт, 2002. - С.227, рис.8.51.