ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIER WITH PARAPHASE OUTPUT

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления СВЧ-аналоговых сигналов, в структуре аналоговых СВЧ-микросхем различного функционального назначения (например, интерфейсных усилителях и фильтрах, компараторах, драйверах дифференциальных линий связи и т.п.
Известны схемы двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-17].
Операционные усилители данного класса применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе широко используемых SiGe-технологий [16-17]. Это связано с возможностью построения на их основе активных RС-фильтров гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный операционный усилитель, описанный в структуре модулятора по патенту US 5367271, фиг.5, содержащий входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, соединенным с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада, соединенным с базой второго 8 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 10 выходом устройства, связанным с эмиттером второго 8 выходного транзистора, и вторым 11 источником питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 13 выходом устройства, связанным с эмиттером первого 6 выходного транзистора, и вторым 11 источником питания, подключенным к эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, причем коллекторы первого 6 и второго 8 выходных транзисторов связаны с первым 5 источником питания.
в
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что из-за наличия паразитных емкостей на подложку в высокоимпедансных узлах 2 и 3 его верхняя граничная частота (f) получается сравнительно небольшой.
в
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении в 2-3 раза диапазона рабочих частот (f) для традиционных применений ДУ - работе в схемах с общей отрицательной обратной связью.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, соединенным с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада, соединенным с базой второго 8 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 10 выходом устройства, связанным с эмиттером второго 8 выходного транзистора, и вторым 11 источником питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 13 выходом устройства, связанным с эмиттером первого 6 выходного транзистора, и вторым 11 источником питания, подключенным к эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, причем коллекторы первого 6 и второго 8 выходных транзисторов связаны с первым 5 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 14 дополнительный транзистор, эмиттер которого через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второму 11 источнику питания, коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база соединена с источником напряжения смещения 15, второй 16 дополнительный транзистор, эмиттер которого через четвертый 17 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второму 11 источнику питания, коллектор связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада, а база соединена с источником напряжения смещения 15, причем между эмиттером первого 14 дополнительного транзистора и эмиттером первого 6 выходного транзистора включен первый 18 корректирующий конденсатор, а между эмиттером второго 16 дополнительного транзистора и эмиттером второго 8 выходного транзистора включен второй 19 корректирующий конденсатор.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 представлен ДУ фиг.2 в схеме с типовой обратной связью в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe - интегральных транзисторов.
18
19
n
На фиг.4 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.3 при разных значениях емкости первого (18) и второго (19) корректирующих конденсаторов (C=C=C=0÷80 фФ).
в
0
1
18
19
n
21
22
18
19
n
График фиг.5 характеризует зависимость верхней граничной частоты f (по уровню - 3 дБ) ДУ фиг.3 в зависимости от емкости первого (18) и второго (19) корректирующих конденсаторов C=C=C=C=C=0÷80 фФ при паразитных емкостях в узлах 2 и 3 С=С=100 фФ. График фиг.5 показывает, что при рациональном выборе C=C=C диапазон рабочих частот ДУ фиг.3 улучшается в 2÷3 раза.
Еще больший выигрыш по верхней граничной частоте реализуется, если в качестве токостабилизирующих двухполюсников 13 и 17 применить не транзисторные источники тока, а резисторы, характеризующиеся меньшей паразитной емкостью на подложку.
Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, соединенным с базой первого 6 выходного транзистора, второй 7 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 5 источником питания и вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада, соединенным с базой второго 8 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 10 выходом устройства, связанным с эмиттером второго 8 выходного транзистора и вторым 11 источником питания, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 13 выходом устройства, связанным с эмиттером первого 6 выходного транзистора, и вторым 11 источником питания, подключенным к эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1, причем коллекторы первого 6 и второго 8 выходных транзисторов связаны с первым 5 источником питания. В схему введен первый 14 дополнительный транзистор, эмиттер которого через третий 13 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второму 11 источнику питания, коллектор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база соединена с источником напряжения смещения 15, второй 16 дополнительный транзистор, эмиттер которого через четвертый 17 токостабилизирующий двухполюсник подключен ко второму 11 источнику питания, коллектор связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада, а база соединена с источником напряжения смещения 15, причем между эмиттером первого 14 дополнительного транзистора и эмиттером первого 6 выходного транзистора включен первый 18 корректирующий конденсатор 18, а между эмиттером второго 16 дополнительного транзистора и эмиттером второго 8 выходного транзистора включен второй 19 корректирующий конденсатор.
В качестве первого 9, второго 12, третьего 13 и четвертого 17 токостабилизирующих двухполюсников, а также первого 4 и второго 7 двухполюсников коллекторной нагрузки авторы рекомендуют использовать классические источники опорного тока на транзисторах или сравнительно высокоомные резисторы.
Конденсаторы 21 и 22 на фиг.2 моделируют наличие паразитных емкостей на подложку в узлах 2 и 3. Кроме этого на фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 23, 24 и классическом источнике опорного тока 25.
Рассмотрим работу ДУ на фиг.2.
При введении отрицательной обратной связи (фиг.3) статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 4, 7, 25, 13, 17, 9 и 12.
вх
3
3
10
22
19
Под действием положительного сигнала u на входе Вх.1 изменяется напряжение u в узле 3, которое с единичным коэффициентом передачи передается на выход устройства в узел 10. Изменения u и u создают токи i и i через паразитную емкость на подложку 22 и через корректирующий конденсатор 19, зависящие от их численных значений и частоты сигнала.
19
22
Приращение тока i поступает в эмиттер транзистора 16 и далее в его коллектор, что компенсирует изменение тока i через паразитную емкость 22. Если емкости конденсаторов 22 и 19 (21 и 18) приблизительно одинаковы, то влияние паразитной емкости 22 на частотную характеристику ДУ компенсируется емкостью корректирующего конденсатора 19 (фиг.4).
В результате частотный диапазон заявляемого устройства, в сравнении с прототипом, расширяется минимум в 2÷3 раза (фиг.5).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5684419.
2. Патентная заявка WO 2009/042474, fig.5.
3. Патентная заявка WO 96/21271.
4; Патентная заявка США 2010/0019946, fig.3.
5. Патент США №6693489.
6. Патентная заявка WO 2005/074136, fig.1.
7. Патентная заявка США 2006/0038616, fig.1.
8. Патентная заявка США 2010/0102884, fig.2.
9. Патент США №6285245, fig.1.
10. Патент США №4517524.
11. Патент США №4276485, fig.1.
12. Патентная заявка США 2005/0088232.
13. Патент Франции №2409640, fig.1.
14. Патентная заявка США 2005/0110571, fig.7.
15. Патентная заявка США 2009/108882, fig.3.
16. 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.
17. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных, операционных усилителей / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков, K.Schmalz, С.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.