КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях, широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах и т.п.).
Известны схемы каскодных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n транзисторах, у которых эмиттеры выходных транзисторов связаны со входами выходного дифференциального каскада на p-n-p транзисторах [1-5]. В ряде случаев выходной дифференциальный каскад реализуется на таких же n-p-n транзисторах
[6-10].
BX
Существенный недостаток ДУ данного подкласса состоит в том, что он имеет небольшое входное дифференциальное сопротивление (R), зависящее от абсолютных значений коэффициента усиления по току базы (β) применяемых транзисторов и их статического режима. Для повышения  в известных ДУ применяется местная отрицательная обратная связь (вводятся эмиттерные резисторы). Однако при этом ухудшаются многие параметры ДУ - коэффициент усиления по напряжению, напряжение смещения нуля, коэффициент подавления помехи по питанию, крутизна усиления ДУ и др.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, представленный в патенте США №5.218.319. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами.
BX
y
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении входного сопротивления R без ухудшения K и токопотребления ДУ. В целом это позволяет обеспечить повышение обобщенного показателя качества Q. Дополнительная цель - в уменьшении статических входных токов ДУ.
Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введено дополнительное токовое зеркало 8, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход подключен к объединенным эмиттерам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем коллектор первого 6 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 представлена схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП ИНН «Пульсар», а на фиг.4 показана схема заявляемого устройства.
11
Графики на фиг.5 характеризуют температурные зависимости входных токов ДУ (фиг.3) и ДУ (фиг.4) при напряжении Е=0, из которых следует, что предлагаемое устройство имеет более чем в 40 раз меньший входной ток.
11
На фиг.6 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого (фиг.4) и известного (фиг.3) дифференциальных усилителей при Е=0, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы более чем в 20 раз больше, чем у ДУ-прототипа.
11
На фиг.7 приведены графики температурной зависимости входного тока ДУ-прототипа (фиг.3) и ДУ, соответствующего фиг.4 при Е=1,5 В.
11
11
На фиг.8 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого (фиг.4) и известного (фиг.3) дифференциальных усилителей при E=var, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы (фиг.4) в 1000 раз больше, чем у ДУ-прототипа, если Е=1,5 В.
Каскодный дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с токостабилизирующим двухполюсником 3, а коллекторы подключены к эмиттерам первого 4 и второго 5 выходных транзисторов с объединенными базами и базам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов с объединенными эмиттерами. В схему введено дополнительное токовое зеркало 8, вход которого связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а выход подключен к объединенным эмиттерам первого 6 и второго 7 вспомогательных транзисторов, причем коллектор первого 6 вспомогательного транзистора соединен с базой первого 1 входного транзистора, а коллектор второго 7 вспомогательного транзистора соединен с базой второго 2 входного транзистора.
BX
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения вход дополнительного токового зеркала 8 связан с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов через цепь согласования потенциалов 11, постоянное напряжение между выводами которой выбирается с учетом постоянной составляющей напряжения на входе дополнительного токового зеркала 8 таким образом, чтобы напряжения коллектор-база выходных 4 и 5 и входных 1 и 2 транзисторов были приблизительно одинаковы. Это обеспечивает более высокую степень компенсации R.
Рассмотрим работу КДУ (фиг.2) на постоянном токе.
ВХ
При нулевом входном напряжении u=0 эмиттерные токи транзисторов 1, 2, 3, 4, 5
3
0
где I=2I - суммарный ток общей эмиттерной цепи ДУ.
Поэтому входной ток токового зеркала 8
4
5
4-5
где β=β=β - коэффициент усиления по току базы транзисторов 4 и 5.
i12.8
6-7
Учитывая, что коэффициент передачи по току подсхемы 8 близок к единице (К=1), находим, что суммарный ток эмиттерной цепи транзисторов 6 и 7 (I) и их коллекторные токи
Следовательно, статические входные токи КДУ
Учитывая, что транзисторы 1, 2, 3, 4 и 5 имеют одинаковый тип проводимости и одинаковый характер температурной и радиационной зависимости β, из (6) и (7) можно сделать вывод о том, что входные статические токи предлагаемого ДУ существенно меньше, чем у ДУ-прототипа.
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.
вх
Увеличение u приводит к появлению тока базы транзистора 1:
где
- дифференциальное сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 1 и 2;
т
φ - температурный потенциал;
3
0
I=2I - суммарный ток эмиттерной цепи ДУ.
Так как дифференциальные сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 4 и 5 равны дифференциальным сопротивлениям эмиттерных переходов транзисторов 1 и 2 для малого сигнала, то напряжение между базами транзисторов 6 и 7
б.6-7
BX
Поэтому под действием u=u коллекторный ток транзистора 6 увеличивается, транзистора 7 уменьшается
где с учетом (4) и (5):
BX.1
ВХ.1
Таким образом, переменный входной ток i ДУ (фиг.2) и, следовательно, его входная проводимость y уменьшаются
где
- входная проводимость ДУ-прототипа.
BX
Так как транзисторы 1, 2, 4 и 5 идентичны по величине β, то, следовательно, входное сопротивление ДУ (фиг.2) значительно выше R ДУ-прототипа. Об этом свидетельствуют графики на фиг.6 и фиг.8.
1
4
5
кб
кб.1-2
кб.4-5
BX
11
BX
ВХ.1
Следует заметить, что режимная зависимость β и β, β транзисторов 1, 2 (4, 5) от статического напряжения коллектор-база U не позволяет получить полную компенсацию  при произвольных величинах U(U). В этой связи для получения предельных значений R в соответствии с п.2 формулы изобретения необходимо ввести дополнительную цепь согласования потенциалов 11, условно показанную на фиг.3 в виде источника э.д.с. Е. В частных случаях ее функции могут выполнять разные транзисторные каскады. Такое схемотехническое решение позволяет получить мегаомные значения R (фиг.8) и наноамперные статические входные токи I (фиг.7).
Полученные выше теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования известной и предлагаемой схем в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.5-фиг.8). При этом заявляемый ДУ имеет более чем на один-два порядка более высокие значения входного сопротивления. Данный результат обеспечивается без ухудшения других параметров ДУ - токопотребления, коэффициента усиления по напряжению и напряжения смещения нуля. Кроме этого статические входные токи заявляемого ДУ значительно меньше, чем в схеме ДУ-прототипа.
Библиографический список
1. Патент США № 5.218.319.
2. Патент США № 6.304.142, fig.3.
3. Патент США № 4.721.920.
4. Патент США № 4.498.053, fig.l.
5. А.с. СССР № 600545.
6. Патент США № 6.111.463, fig 1.
7. Патент США № 4.288.707, fig.2.
8. Патент США № 5.521.544, fig.6.
9. Патентная заявка США № 2002/005393.
10. Патентная заявка США № 004/0251965, fig.5.