ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION COEFFICIENT 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, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
y
В современной микроэлектронике широко применяются простейшие дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1) с местной отрицательной обратной связью, которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей и т.п. Коэффициент усиления по напряжению (K) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов и резистора местной отрицательной обратной связи.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ не должно превышать 1,5÷2,5 B, 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 №4511852 фиг.3. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания.
y
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [2-15], состоит в том, что при использовании коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (K) получается небольшим:
9
где R - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
3
R - дифференциальное сопротивление двухполюсника обратной связи 3;
эi
3
9
3
у.прот
r<<R - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора. Например, при R=1 кОм и R=500 Ом коэффициент усиления ДУ-прототипа К≈2. В большинстве случаев этого недостаточно.
9
7
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторы нагрузки (например, R=R=14÷2 кОм) в условиях технологических ограничений SiGe-технологии на напряжение питания (±1,9÷2 B).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 12 и второе 13 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым 11 источником питания, вход первого 12 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 13 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 12 токового зеркала соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а выход второго 13 токового зеркала подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар», а на фиг.4 - заявляемого устройства фиг.2.
60
61
59
3
y
На чертеже фиг.5 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.3 и фиг.4. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R=R=1 кОм) и введении местной отрицательной обратной связи в виде резистора R=R(626 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.4) повышается на 75 дБ, т.е. более чем на три порядка в сравнении с K ДУ-прототипа фиг.3. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.
3
59
63
y
На фиг.6 показаны графики зависимости коэффициента усиления сравниваемых схем фиг.3, фиг.4 от сопротивлений двухполюсника местной отрицательной обратной связи 3 (R=R=R на схемах фиг.3 и фиг.4). Из данных графиков следует, что коэффициент усиления по напряжению в заявляемой схеме всегда больше, чем коэффициент усиления ДУ-прототипа, причем существует некоторое оптимальное значение сопротивления резистора 3, при котором K принимает экстремально высокое значение.
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен двухполюсник обратной связи 3, первый 4 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора и первым 5 источником питания, второй 6 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 2 входного транзистора и первым 5 источником питания, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 2 входного транзистора, второй 11 источник питания. В схему введены первое 12 и второе 13 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны со вторым 11 источником питания, вход первого 12 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 13 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 12 токового зеркала соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а выход второго 13 токового зеркала подключен к эмиттеру первого 1 входного транзистора.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 4 и 6. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 1 и 2, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 по выходам Вых.2 и Вых.1 определяется по формулам:
н.экв.2
н.экв.1
где R, R - эквивалентные сопротивления в узлах «Вых.2» и «Вых.1» соответственно.
н.экв.2
н.экв.1
вых.2
вых.1
Причем R и R как выходные сопротивления при одновременном изменении u и u можно найти из выражения:
где
В последних формулах:
il2
K≤1 - коэффициент усиления по току первого 12 токового зеркала;
вых
вых.1
вых.2
u=u=u - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:
д1
пт.2
где K<1 - коэффициент деления выходного тока i между эмиттером транзистора 1 и двухполюсником 13:
2
Причем α=0,98-0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора VT1 в схеме с общей базой.
9
7
y
Поэтому при R=R выигрыш по K в схеме фиг.2
i12
д1
i12
д1
у.з
В практических схемах K и K всегда меньше единицы (K=0,9÷0,99, К=0,98÷0,99). Тем не менее, при R9=R7 выигрыш по K получается значительным (фиг.5, фиг.6).
3
y
3
у.з
у.прот
3
пт.12
пт.13
Численные значения R сложным образом влияют на K. Если R=0, то K=K. При больших R>>3 улучшается передача токов i и i в эмиттеры транзисторов 1 и 2, что позволяет в пределе получить
Однако, если учесть, что транзистор 2 имеет некоторое выходное сопротивление
2
i.12
2
-3
-4
где µ=10÷10 - коэффициент внутренней обратной связи второго 2 входа транзистора, то в идеальном случае при K=l, α=1 коэффициент усиления ДУ фиг.2 не может превышать значений:
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.
Литература
1. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. М.: Радио и связь, 1983 г. - С.366, рис.8.11.
2. Патент EP 0058448, H03f 3/45.
3. Авт. свид. СССР №853776, G03g 3/36.
4. Авт. свид. СССР №488317, H03h 7/44.
5. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. - М.: Мир - С.147, рис.7-5.
6. Патент США №4146844, кл. 330-149.
7. Патент Японии 53-33232 98(5) A 333.
8. Патент Англии №1429793 H03f 1/34.
9. Патент Англии №1572079, H3T.
10. Патент США №4511852.
11. Патентная заявка США №2002/0053935.
12. Патент США №6456142, фиг.8.
13. Патент США №5184088, фиг.2.
14. Патент США №5821810.
15. Патент UK №2318470.