КМОП-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к области радиотехники и электроники. В частности, к интегральным микросхемам на основе технологии КМОП, и может быть использована в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), компараторах).
Уровень техники
Известно, что коэффициент усиления дифференциального каскада ограничен собственным коэффициентом усиления входных МОП-транзисторов, поскольку коэффициент усиления уменьшается с уменьшением длины затвора за счет уменьшения выходного сопротивления МОП - транзистора [1]:
v
m
d
D
где A - коэффициент усиления по напряжению МОП-транзистора, g - крутизна по затвору, r - внутренне сопротивление, β - крутизна транзистора, λ - коэффициент влияния стока (модуляции длины канала), I - ток стока, L - длина затвора.
Российские патенты на изобретения RU 2469467 (2011 г.), RU 2455758 (2011 г.), RU 2463703 (2011 г.) содержат ряд технических решений для увеличения коэффициента усиления дифференциальных усилителей. При этом повышение коэффициента усиления КМОП усилительных каскадов обычно достигается увеличением длины затворов МОП транзисторов или использованием последовательного (каскодного) включения усилительных транзисторов. Однако при увеличение длины затворов снижается быстродействие усилителя, а каскодное включение транзисторов увеличивает минимальное напряжение питания и требует введения в схему дополнительного блока опорного напряжения.
Наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемой полезной модели можно считать техническое решение (фиг 1.), описанное в справочнике «Проектирование аналоговых КМОП-микросхем» В.И. Эннса и Ю.М. Кобзева (стр.161, рис.3.33), изданной в 2005 году. [2]. Данный дифференциальный усилитель включает токостабилизирующий двухполюсник (1), включенный между общей шиной (2) и объединенными истоками первого (3) и второго (4) входных N-МОП транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим (5) и неинвертирующим (6) входами дифференциального усилителя, соответственно, причем, сток первого входного транзистора (3) соединен со стоком третьего P-МОП транзистора (7) и с выходом (8) дифференциального усилителя, а сток второго входного транзистора (4) соединен с объединенными затвором и стоком четвертого P-МОП транзистора (9) и затвором третьего P-МОП транзистора (7), а истоки третьего (7) и четвертого (9) P-МОП транзисторов подключены к шине питания (10), где изолирующие «карманы» всех транзисторов подключены к истокам этих транзисторов.
Недостатком описанного дифференциального усилителя является то, что при реализации его цепи нагрузки в виде простого токового зеркала, его коэффициент усиления по напряжению получается небольшим.
Раскрытие полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению КМОП-дифференциального усилителя при использовании в качестве цепи нагрузки простого токового зеркала Технический результат, позволяющий достичь поставленной задачи, состоит в увеличении коэффициента усиления дифференциального усилительного каскада примерно в 10 раз без ухудшения его частотных характеристик путем последовательного включения дополнительного усилительного транзистора в выходную цепь усилителя.
Согласно предлагаемой полезной модели, этот технический результат достигается за счет того, что в КМОП-дифференциальном усилителе с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2), включающем токостабилизирующий двухполюсник (1), включенный между общей шиной (2) и объединенными истоками первого (3) и второго (4) входных N-МОП транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим (5) и неинвертирующим (6) входами дифференциального усилителя, соответственно, причем, сток первого входного N-МОП транзистора (3) соединен со стоком третьего P-МОП транзистора (7) и с выходом дифференциального усилителя (8), а сток второго N-МОП входного транзистора (4) соединен с объединенными затвором и стоком четвертого P-МОП транзистора (9) и затвором третьего P-МОП транзистора (7), а истоки третьего (7) и четвертого (9) P-МОП транзисторов подключены к шине питания (10), где изолирующие «карманы» всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, между стоком первого входного N-МОП транзистора (3) и стоком третьего P-МОП транзистора (7) включен дополнительный N-МОП транзистор (11), исток которого соединен со стоком первого N-МОП транзистора (3), сток соединен с выходом дифференциального усилителя (8) и со стоком третьего P-МОП транзистора (7), а объединенные затвор и изолирующий «карман» соединены со стоком второго N-МОП транзистора (4).
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема дифференциального усилителя, выбранного в качестве прототипа предлагаемой полезной модели.
На фиг.2 представлена схема КМОП-дифференциального усилителя с повышенным коэффициентом усиления.
На фиг.3 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению для прототипа и предлагаемой полезной модели.
Осуществление полезной модели
КМОП-дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2), включающий токостабилизирующий двухполюсник (1), включенный между общей шиной (2) и объединенными истоками первого (3) и второго (4) входных N-МОП транзисторов, затворы которых соединены с инвертирующим (5) и неинвертирующим (6) входами дифференциального усилителя, соответственно, причем, сток первого входного N-МОП транзистора (3) соединен со стоком третьего P-МОП транзистора (7) и с выходом дифференциального усилителя (8), а сток второго N-МОП входного транзистора (4) соединен с объединенными затвором и стоком четвертого P-МОП транзистора (9) и затвором третьего P-МОП транзистора (7), а истоки третьего (7) и четвертого (9) P-МОП транзисторов подключены к шине питания (10), где изолирующие «карманы» всех МОП транзисторов подключены к истокам этих транзисторов, между стоком первого входного N-МОП транзистора (3) и стоком третьего P-МОП транзистора (7) включен дополнительный N-МОП транзистор (11), исток которого соединен со стоком первого N-МОП транзистора (3), сток соединен с выходом дифференциального усилителя (8) и со стоком третьего P-МОП транзистора (7), а объединенные затвор и изолирующий «карман» соединены со стоком второго N-МОП транзистора (4).
Технический результат достигается за счет того, что дополнительный усилительный транзистор N-МОП транзистор (11) в выходной цепи управляется противофазными сигналами, сформированными в стоках входных N-МОП транзисторов (3) и (4) дифференциального усилителя, что приводит к увеличению управляющего напряжения затвор-исток дополнительного транзистора (11), а значит к лучшему управлению его проводимостью, что в свою очередь влечет увеличение его выходного сопротивления. Общий коэффициент усиления дифференциального усилителя возрастает благодаря увеличению выходного сопротивления дополнительного усилительного N-МОП транзистора (11) согласно формуле (1):
v
m
где A - коэффициент усиления по напряжению, g - крутизна по затвору, r - сопротивления соответствующих МОП-транзисторов.
На фиг.3 представлены частотные зависимость коэффициента усиления, полученные при моделировании, для предлагаемой полезной модели и технического решения, выбранного в качестве прототипа. По приведенным графикам можно судить о том, что коэффициент усиления по напряжению предлагаемой полезной модели улучшается на 10 дБ в сравнении с коэффициентом усиления прототипа. Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение полезной модели демонстрирует преимущество по коэффициенту усиления по напряжению в сравнении с известным дифференциальным усилителем.
Реализуемость полезной модели подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы Cadence Microsystems.
[1] Ракитин В.В. Интегральные схемы на КМОП-транзисторах. Учебное пособие - М.: МФТИ. - 2007. - 308 с.
[2] Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М.: Горячая линия - Телеком. - 2005. - 454 с: ил.