ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С СИММЕТРИЧНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH SYMMETRIC 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, операционных усилителях и компараторах).
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) с симметричным выходом, в которых для фиксации уровня выходного синфазного напряжения применяется отрицательная обратная связь по синфазному сигналу, выполненная как на пассивных [1-6], так и в виде активных элементов [7-23].
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому ОУ является схема ДУ па патенту США №3.694.762.
у
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет невысокий коэффициент усиления по напряжению (K).
у
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению K.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 выходами, связанными с соответствующими коллекторами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый 6 и второй 7 р-n переходы, первые выводы которых подключены к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, второй вывод первого 6 р-n перехода связан с первым выходом 2 входного дифференциального каскада 1, второй вывод второго 7 р-n перехода подключен ко второму 3 выходу входного дифференциального каскада 1, первый источник питания 8, связанный с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, второй источник питания 9, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых подключены к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1, а его коллектор подключен ко второму 3 выходу входного дифференциального каскада 1, база второго 11 дополнительного транзистора связана со вторым 3 выходом входного дифференциального каскада 1, а его коллектор подключен к первому 2 выходу входного дифференциального каскада 1.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.4 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.3 и 4, которые показывают, что заявляемый ДУ имеет более чем на порядок лучший коэффициент усиления по напряжению. Причем данный положительный эффект достигается без увеличения тока потребления и ухудшения диапазона изменения выходных сигналов ДУ.
max
max
На фиг.6 приведены зависимости выходного напряжения сравниваемых схем фиг.3 и 4 от входного напряжения (амплитудные характеристики), которые показывают, что выходное неискаженное напряжение ДУ-прототипа U≈85 мВ, а заявляемого ДУ U≈610 мВ, т.е. на порядок больше.
Графики фиг.7 иллюстрируют временные диаграммы выходного напряжения ДУ-прототипа фиг.3 (левая часть чертежа) и заявляемой схемы фиг.4 (правая часть чертежа) при разных уровнях входного сигнала. Из рассмотрения этих чертежей следует, что в известном устройстве заметные нелинейные искажения возникают при выходном напряжении более чем ±50 мВ, а в заявляемом устройстве заметные нелинейные искажения начинают проявляться при выходных напряжениях более 600 мВ.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 выходами, связанными с соответствующими коллекторами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый 6 и второй 7 р-n переходы, первые выводы которых подключены к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, второй вывод первого 6 p-n перехода связан с первым выходом 2 входного дифференциального каскада 1, второй вывод второго 7 p-n перехода подключен ко второму 3 выходу входного дифференциального каскада 1, первый источник питания 8, связанный с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, второй источник питания 9, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 10 и второй 11 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых подключены к объединенным базам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, база первого 10 дополнительного транзистора соединена с первым 2 выходом входного дифференциального каскада 1, а его коллектор подключен ко второму 3 выходу входного дифференциального каскада 1, база второго 11 дополнительного транзистора связана со вторым 3 выходом входного дифференциального каскада 1, а его коллектор подключен к первому 2 выходу входного дифференциального каскада 1.
В частном случае входной дифференциальный каскад 1 ДУ фиг.2 содержит входные транзисторы 12, 13 и источник опорного тока 14.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
14
0
В статическом режиме при токе двухполюсника 14, равном I=2I,
к.n
э.n
б.n
токи коллекторов (I), эмиттеров (I) и базы (I) транзисторов схемы устанавливаются на следующих уровнях:
n
где β - статический коэффициент усиления по току базы транзисторов 6 и 7;
6
7
I=I - статический ток через p-n переходы 6 и 7.
Поэтому дифференциальные сопротивления p-n переходов 6 и 7
т
где φ=26 мВ - температурный потенциал.
э6
э7
В ДУ-прототипе сопротивления r и r определяют коэффициент усиления по напряжению
В заявляемом ДУ фиг.2
где  - коэффициент неидентичности приращений токов p-n переходов 6, 7 и транзисторов 10 и 11.
i
у.з
В практических схемах ξ=0,9÷0,99. То есть коэффициент усиления по напряжению К предлагаемого ДУ, как минимум, на порядок выше, чем в известной схеме. Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования фиг.5.
max
Кроме этого заявляемый ДУ имеет более широкий диапазон изменения выходного напряжения (U=610 мВ), в пределах которого амплитудная характеристика ДУ линейна (фиг.6).
п
Замечательная особенность схемы - возможность работы при малых напряжениях питания (Е = ±1,8 В÷2,0 В).
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №6.175.226, fig. 3.
2. Патентная заявка США №2006/0082415.
3. Патентная заявка США №2008/0061880.
4. Патентная заявка США №2008/0231362, fig.2.
5. Патент США №5.376.897.
6. Патентная заявка США №2008/0030273, fig.3.
7. Патент США №3.895.307.
8. Патент США №3.946.325.
9. Патент Японии JP 55003217.
10. Патент ЕР 2127064.
11. Патентная заявка KR 2008/0005148.
12. Патентная заявка США №2009/302948, fig.6.
13. Патентная заявка США №2008/0246543, fig.1.
14. Патент США №4.271.394.
15. Патент США №4.336.502, fig.2.
16. Патент США №4.050.030.
17. Патентная заявка США №2006/0267685, fig.1.
18. Патентная заявка США №2005/0184805.
19. Патентная заявка США №2009/0267693, fig.13.
20. Патентная заявка США №2005/0168285.
21. Патент США №7.330.075.
22. Патентная заявка США №2006/0027753.
23. Патент США №5.119.041, fig.2.