ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIER WITH PARAPHASE 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, мостовых усилителях мощности, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах т.п.).
Известны схемы классических двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-17]. ДУ данного класса широко применяются в структуре СВЧ-устройств [16-17], реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, драйверов дифференциальных линий связи между СФ-блоками A/d и D/a-классов и т.п. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1) В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 120÷160 ГГц.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту US 5.684.419, fig.4, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенным эмиттером первого 1 и второго 2 входных транзисторов и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими первым 10 и вторым 11 противофазными выходами устройства, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 7 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, третий 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой первого 7 выходного транзистора и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой второго 8 выходного транзистора и коллектором второго 2 входного транзистора.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет нестабильный уровень выходного синфазного напряжения, зависящий от параметров двухполюсников коллекторной нагрузки 14 и 15. Это значительно затрудняет его согласование с последующими функциональными узлами многокаскадных интерфейсных СФ-блоков и IP-модулей.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и нулевое значение при изменении параметров элементов 14, 15, 5 в широких пределах.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом, фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенным эмиттером первого 1 и второго 2 входных транзисторов и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими первым 10 и вторым 11 противофазными выходами устройства, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 7 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, третий 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой первого 7 выходного транзистора и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой второго 8 выходного транзистора и коллектором второго 2 входного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены третий 16 и четвертый 17 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, база третьего 16 входного транзистора соединена с базой первого 1 входного транзистора, база четвертого 17 входного транзистора соединена с базой второго 2 входного транзистора, коллекторы третьего 16 и четвертого 17 входных транзисторов связаны с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры первого 1 и второго 2 входных транзисторов подключены к эмиттеру первого 18 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с объединенными вторыми выводами первого 14 и второго 15 двухполюсников коллекторной нагрузки и через четвертый 19 токостабилизирующий двухполюсник связан с шиной второго 9 источника питания, причем первый 10 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через первый 20 резистор обратной связи, а второй 11 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через второй 21 резистор обратной связи.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
Схема ДУ по п.2 формулы изобретения приведена на фиг.3.
На фиг.4 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты.
Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом, фиг.2, содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенным эмиттером первого 1 и второго 2 входных транзисторов и шиной первого 6 источника питания, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, коллекторы которых соединены с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры связаны с соответствующими первым 10 и вторым 11 противофазными выходами устройства, второй 12 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 7 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, третий 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 8 выходного транзистора и шиной первого 6 источника питания, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой первого 7 выходного транзистора и коллектором первого 1 входного транзистора, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с базой второго 8 выходного транзистора и коллектором второго 2 входного транзистора. В схему введены третий 16 и четвертый 17 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, база третьего 16 входного транзистора соединена с базой первого 1 входного транзистора, база четвертого 17 входного транзистора соединена с базой второго 2 входного транзистора, коллекторы третьего 16 и четвертого 17 входных транзисторов связаны с шиной второго 9 источника питания, эмиттеры первого 1 и второго 2 входных транзисторов подключены к эмиттеру первого 18 дополнительного транзистора, коллектор которого соединен с объединенными вторыми выводами первого 14 и второго 15 двухполюсников коллекторной нагрузки и через четвертый 19 токостабилизирующий двухполюсник связан с шиной второго 9 источника питания, причем первый 10 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через первый 20 резистор обратной связи, а второй 11 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через второй 21 резистор обратной связи.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения первый 10 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через последовательно соединенные первый 22 дополнительный буферный усилитель и первый 20 резистор обратной связи, а второй 11 выход устройства связан с базой первого 18 дополнительного транзистора через последовательно соединенные второй 23 дополнительный буферный усилитель и второй 21 резистор обратной связи.
В качестве первого 14 и второго 15 двухполюсников коллекторной нагрузки могут применяться резисторы или прямосмещенные p-n переходы.
Вместо токостабилизирующих двухполюсников 5, 12, 13, 19 авторы рекомендуют применять классические источники тока на транзисторах, а в качестве буферных усилителей 22, 23 - обычные или двухтактные эмиттерные повторители напряжения.
Рассмотрим работу ДУ, фиг.2.
кi
эi
Статический режим по току предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 5, 12, 13, 19. Причем коллекторные I и эмиттерные I токи транзисторов:
0
где I - параметр источников опорного тока 19,5, например 1 мА.
10
вх
Статическое напряжение U на выходах Вых.1 (10) и Вых.2 (11) ДУ при нулевом входном сигнале (u=0) можно найти из уравнения:
эб.1
эб.16
эб.2
эб.17
где U=U≈U=U - напряжение «эмиттер-база» входных транзисторов 1 и 16, 2 и 17;
б
I - половина тока базы транзистора 18.
Введение транзисторов 16 и 17 обеспечивает устойчивость статического режима по петле отрицательной обратной связи «база транзистора 18 - коллектор транзистора 18 - двухполюсники 15 и 14 - базы транзисторов 7 и 8 - эмиттеры транзисторов 7 и 8 - резисторы 20 и 21 - база транзистора 18». Усиление по этой петле отрицательной обратной связи преобладает над усилением по петле положительной обратной связи «база транзистора 18 - эмиттер транзистора 18 - эмиттеры транзисторов 1 и 2 - коллекторы транзисторов 1 и 2 - эмиттеры транзисторов 7 и 8 - резисторы 20 и 21 - база транзистора 18» благодаря делению приращения тока эмиттера транзистора 18 между эмиттерами четырех транзисторов 1, 2, 16, 17.
20
21
Таким образом, при типовых, значениях токов базы транзистора 18, а также при R=R=500÷1000 Ом выходное синфазное напряжение ДУ, фиг.2, практически равно нулю в широком диапазоне температурных и радиационных воздействий, а также изменений напряжений питания. Это весьма существенно для согласования заявляемого ДУ с последующими функциональными узлами радиоэлектронной аппаратуры.
Таким образом, предлагаемый ДУ имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №5.684.419.
2. Патентная заявка WO 2009/042474, fig.5.
3. Патентная заявка WO 96/21271.
4. Патентная заявка США 2010/0019946, fig.3.
5. Патент США №6.693.489.
6. Патентная заявка WO 2005/074136, fig.1.
7. Патентная заявка США 2006/0038616, fig.1.
8. Патентная заявка США 2010/0102884, fig.2.
9. Патент США №6.285.245, fig.1.
10. Патент США №4.517.524.
11. Патент США №4.276.485, fig.1.
12. Патентная заявка США 2005/0088232.
13. Патент Франции №2409640, fig.1.
14. Патентная заявка США 2005/0110571, fig.7.
15. Патентная заявка США 2009/108882, fig.3.
16. Budyakov A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / Под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.
17. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков, K.Schmalz, С.Scheytt // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2010. Сборник трудов /Под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.