ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR AS TO VOLTAGE

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 (ОУ), компараторах).
y
В современной микроэлектронике широко применяются простейшие дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей и фильтров на их основе. Коэффициент усиления по напряжению (K) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ не должно превышать 1,5÷2,5 В, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которые не должны превышать единиц килоом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США фирмы Analog Devices № 5.530.444 fig.1. Он содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с инвертирующим входом 2 устройства, второй 3 входной транзистор, база которого соединена с неинвертирующим входом 4 устройства, первый 5 и второй 6 вспомогательные двухполюсники, первые выводы которых соединены с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 3 входных транзисторов, источник опорного тока 7, первый вывод которого соединен с первым 8 источником напряжения питания, двухполюсник нагрузки 9, включенный между вторым 10 источником напряжения питания и коллектором первого 1 входного транзистора, который соединен с выходом устройства 11.
y
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [2-1.7], состоит в том, что при реализации двухполюсника нагрузки 9 в виде низкоомного резистора его коэффициент усиления по напряжению (K) получается небольшим. Если учесть сопротивления вспомогательных двухполюсников 5 и 6, то коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа по основному выходу будет определяться по формуле
9
где R - сопротивление двухполюсника нагрузки 9;
5
6
R, R - сопротивления первого 5 и второго 6 вспомогательных двухполюсников;
эi
5
6
r<<R=R - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора.
9
5
6
y
Например, при R=1 кОм и R=R=500 Ом, коэффициент усиления ДУ-прототипа K≈1.
9
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов нагрузки (например, R=1÷2 кОм) в условиях технологических ограничений SGB25VD-технологии на напряжения питания (±1,9÷2 В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем первый 1 входной транзистор, база которого соединена с инвертирующим входом 2 устройства, второй 3 входной транзистор, база которого соединена с неинвертирующим входом 4 устройства, первый 5 и второй 6 вспомогательные двухполюсники, первые выводы которых соединены с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 3 входных транзисторов, источник опорного тока 7, первый вывод которого соединен с первым 8 источником напряжения питания, двухполюсник нагрузки 9, включенный между вторым 10 источником напряжения питания и коллектором первого 1 входного транзистора, который соединен с выходом устройства 11, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено токовое зеркало 12 и дополнительный буферный усилитель 13, базовый вход токового зеркала 12 соединен со вторым выводом первого 5 вспомогательного двухполюсника, токовый выход токового зеркала 12 подключен ко второму выводу второго 6 вспомогательного двухполюсника и входу дополнительного буферного усилителя 1.3, причем выход дополнительного буферного усилителя 13 соединен с эмиттерным выходом токового зеркала 12 и вторым выводом источника опорного тока 7, а коллектор второго 3 входного транзистора соединен с выходом 11 устройства.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема ДУ, соответствующая п.4 формулы изобретения.
На фиг.4 представлена схема ДУ, соответствующая п.5, а на фиг.5 - п.6 формулы изобретения
9
3
y
На фиг.6 показана схема ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.7 - частотная зависимость его коэффициента усиления по напряжению. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной нагрузки (R=R=1 кОм), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.6) существенно улучшается в сравнении с K ДУ-прототипа фиг.1. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективного технологического процесса SGB25VD.
9
На фиг.8 показана схема ДУ фиг.5 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда токовое зеркало 12 (F1) и буферный усилитель (13) идеальны. На фиг.9 представлена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.8. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной нагрузки (R=1 кОм), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.8) улучшается на несколько порядков.
0
y
На фиг.10 показана схема ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.11 - частотная зависимость его коэффициента усиления по напряжению. Данные графики показывают, что, несмотря на применение сравнительно низкоомной нагрузки (R=8,5 кОм), коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается в сравнении с K ДУ фиг.1 на несколько порядков. Это - важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению фиг.2 содержит первый 1 входной транзистор, база которого соединена с инвертирующим входом 2 устройства, второй 3 входной транзистор, база которого соединена с неинвертирующим входом 4 устройства, первый 5 и второй 6 вспомогательные двухполюсники, первые выводы которых соединены с эмиттерами соответствующих первого 1 и второго 3 входных транзисторов, источник опорного тока 7, первый вывод которого соединен с первым 8 источником напряжения питания, двухполюсник нагрузки 9, включенный между вторым 10 источником напряжения питания и коллектором первого 1 входного транзистора, который соединен с выходом устройства 11. В схему введено токовое зеркало 12 и дополнительный буферный усилитель 13, базовый вход токового зеркала 12 соединен со вторым выводом первого 5 вспомогательного двухполюсника, токовый выход токового зеркала 12 подключен ко второму выводу второго 6 вспомогательного двухполюсника и входу дополнительного буферного усилителя 13, причем выход дополнительного буферного усилителя 13 соединен с эмиттерным выходом токового зеркала 12 и вторым выводом источника опорного тока 7, а коллектор второго 3 входного транзистора соединен с выходом 11 устройства.
Кроме этого, на фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения токовое зеркало 12 содержит первый 14 p-n переход, первый вывод которого подключен ко входу токового зеркала 12 и базе дополнительного транзистора 1.5, а второй вывод соединен с эмиттером дополнительного транзистора 15 и токовым выходом токового зеркала 12.
Далее, на фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительный буферный усилитель 13 содержит входной транзистор 16, эмиттер которого является выходом дополнительного буферного усилителя 13, а база - его входом.
На фиг.3 в соответствии с п.4 формулы изобретения основной выход (11) устройства соединен с базой дополнительного транзистора (17), эмиттер которого связан с коллектором входного транзистора (16) буферного усилителя (13) и дополнительным выходом устройства (18), а коллектор подключен ко второму (10) источнику напряжения питания.
На фиг.4 в соответствии с п.5 формулы изобретения между дополнительным выходом устройства (18) и первым (8) источником напряжения питания включен симметрирующий двухполюсник (19).
На фиг.5 в соответствии с п.6 формулы изобретения между входом токового зеркала (12) и первым (8) источником напряжения питания включен первый (20) дополнительный двухполюсник, а между токовым выходом токового зеркала (12) и первым (8) источником напряжения питания включен второй (21) дополнительный двухполюсник.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
вх
Если на вход 2 ДУ фиг.2 подается положительное приращение напряжения u, то это вызывает увеличение эмиттерного и коллекторного токов транзистора 1
э1
5
6
где r<<R=R - сопротивление эмиттерного перехода транзистора 1;
5
6
R=R - сопротивление двухполюсника 5(6);
0
K>>1 - коэффициент передачи по напряжению со входа 2 в цепь эмиттера транзистора 16.
э1
вых
э1
Приращение i поступает на вход токового зеркала 12, выходной ток которого i=i, а затем в двухполюсник 6, эмиттер и далее коллектор транзистора 3:
вых
Поэтому через двухполюсник 9 будет протекать переменный ток 19, который создает выходное напряжение u:
Следовательно, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2
0
0
y
Численные значения K определяются различием сопротивлений двухполюсников 5 и 6 друг от друга, а также зависят от «идеальности» токового зеркала 12 и буферного усилителя 13. В практических схемах K=50÷1000, что дает повышение K более чем на порядок. Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования схем фиг.6 (фиг.7), фиг.8 (фиг.9) и фиг.10 (фиг.11).
y
i
п
6
Анализ графиков фиг.9 показывает, что K заявляемого устройства с идеальным токовым зеркалом (K=1) и буферным усилителем (K=1) может достигать значений более чем 120 дБ (10). В большинстве случаев этого достаточно для его многих применений.
y
y
3
4
5
В реальных схемах с типовым токовым зеркалом K≈10 (фиг.11). За счет специального построения токового зеркала, например, по схеме Вильсона и более прецизионных буферных усилителей можно получить K=10÷10.
y
3
6
Следует отметить, что на основе предлагаемого ДУ легко реализуются операционные усилители с коэффициентом усиления K≈10÷10, достаточным для многих применений (фиг.6). При этом все транзисторы ДУ могут иметь один тип проводимости (например, n-p-n), а схема ДУ выполняется с использованием SiGe техпроцессов (SGB25VD), внедряемых на российских предприятиях.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по сравнению с прототипом.
Библиографический список
1. Патент США № 5.530.444 fig.1.
2. Патент WO 96/21271.
3. Патентная заявка США 2007/0146070 fig.3.
4. Патент WO 2000/038315.
5. Патент ФРГ 2928841 fig.4.
6. Патент Японии JP 55030218.
7. Патент WO 00/13309 fig.2.
8. Патентная заявка США 2009/0295480 fig.3.
9. Патент СА 02072436 fig.2.
10. Патентная заявка США 2005/0225390.
11. Патент США № 4.689.579 fig.6.
12. Патент США 4.703.284.
13. Патент США 4.586.000.
14. Патент США 4.703.284 fig.1.
15. Патент США 4.439.696 fig.2.
16. Патент США 5.115.409 fig.2.
17. Патент США 5.550.512 fig.3.