КОМПЛЕМЕНТАРНЫЙ КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
COMPLEMENTARY CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов с широким динамическим диапазоном, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) на n-р-n и р-n-р транзисторах с так называемой «архитектурой входного каскада операционного усилителя µA741» [1-30] или комплементарных каскодных дифференциальные усилители (ККДУ). На их модификации выдано более 50 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с типовым параллельно-балансным каскадом [29-30], стали основным усилительным элементом многих аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является комплементарный каскодный дифференциальный усилитель, описанный в патентной заявке фирмы Texas Instruments США №2006/0091952, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы одного типа проводимости, эмиттеры (истоки) которых соединены с эмиттерами (истоками) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов другого типа проводимости, причем базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов объединены, первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники нагрузки, подключенные к коллекторам (стокам) соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, входной транзистор (7) выходного эмиттерного (истокового) повторителя напряжения, база которого соединена с коллектором второго 4 выходного транзистора, а эмиттер связан с источником опорного тока 8 и выходом 9 комплементарного каскодного дифференциального усилителя.
По аналогичной структуре выполнен также комплементарный дифференциальный усилитель в патенте фирмы Analog Devices №5406222 (фиг.2).
cм
у
вых
вх
Существенный недостаток известного ККДУ состоит в том, что он имеет сравнительно большое напряжение смещения нуля (U), а также невысокий коэффициент усиления по напряжению K=u/u.
Основная цель предполагаемого изобретения состоит в повышении статической точности ККДУ. Дополнительная цель - повышение коэффициента усиления дифференциального сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы одного типа проводимости, эмиттеры (истоки) которых соединены с эмиттерами (истоками) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов другого типа проводимости, причем базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов объединены, первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники нагрузки, подключенные к коллекторам (стокам) соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, входной транзистор 7 выходного эмиттерного (истокового) повторителя напряжения, база (затвор) которого соединена с коллектором (стоком) второго 4 выходного транзистора, а эмиттер (исток) - связан с источником опорного тока 8 и выходом 9 комплементарного каскодного дифференциального усилителя, предусмотрены новые элементы и связи (фиг.3) - эмиттер (исток) входного 7 транзистора выходного эмиттерного (истокового) повторителя связан с источником опорного тока 8 через цепь смещения, объединенные базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены с коллектором (стоком) первого 11 дополнительного транзистора, эмиттер (исток) которого связан с эмиттером (истоком) второго 12 дополнительного транзистора, причем база (затвор) второго 12 дополнительного транзистора соединена с коллектором (стоком) первого 3 выходного транзистора, а база первого 11 дополнительного транзистора связана с цепью смещения.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1 (фиг.2). На фиг.3 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1, п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема ККДУ, соответствующего п.3 и п.4 формулы изобретения.
На фиг.5 показана схема заявляемого устройства фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - ККДУ - прототипа.
На фиг.7 показаны результаты компьютерного моделирования сравниваемых схем фиг.5, фиг.6 - зависимости их коэффициента усиления по напряжению от частоты. На фиг.8 представлены графики, характеризующие зависимость коэффициента по напряжению от частоты сравниваемых схем для случая, когда двухполюсники 5 и 6 (фиг.3, фиг.4) идеальны, т.е. имеют нулевую выходную проводимость. Сопоставление графиков фиг.7 и фиг.8 позволяет оценить интервал изменения коэффициента усиления по напряжению в зависимости от схемотехнических особенностей двухполюсников 5 и 6 заявляемого устройства и ДУ-прототипа.
Дифференциальный усилитель фиг.3 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы одного типа проводимости, эмиттеры (истоки) которых соединены с эмиттерами (истоками) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов другого типа проводимости, причем базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов объединены, первый 5 и второй 6 токостабилизирующие двухполюсники нагрузки, подключенные к коллекторам (стокам) соответствующих первого 3 и второго 4 выходных транзисторов, входной транзистор 7 выходного эмиттерного (истокового) повторителя напряжения, база которого соединена с коллектором второго 4 выходного транзистора, а эмиттер связан с источником опорного тока 8 и выходом 9 комплементарного каскодного дифференциального усилителя. Эмиттер (исток) входного 7 транзистора выходного эмиттерного (истокового) повторителя связан с источником опорного тока 8 через первую 10 цепь смещения, объединенные базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов соединены с коллектором (стоком) первого 11 дополнительного транзистора, эмиттер (исток) которого связан с эмиттером (истоком) второго 12 дополнительного транзистора, причем база (затвор) второго 12 дополнительного транзистора соединена с коллектором (стоком) первого 3 выходного транзистора, а база первого 11 дополнительного транзистора связана с первой цепью смещения 10.
В соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) первая цепь смещения 10 комплементарного каскодного дифференциального усилителя содержит прямосмещенный р-n переход 13.
В устройстве фиг.4, в соответствии с п.3 и п.4 формулы изобретения, эмиттер (исток) входного транзистора 7 выходного эмиттерного (истокового) повторителя напряжения связан с источником опорного тока 8 и выходом комплементарного каскодного дифференциального усилителя 9 через последовательно включенные первую 10 и вторую 14 цепи смещения, общий узел которых соединен с базой (затвором) первого 11 дополнительного транзистора. При этом объединенные базы (затворы) первого 3 и второго 4 выходных транзисторов могут быть связаны со вспомогательным источником тока 15.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.4.
В статическом режиме в схеме фиг.4 устанавливаются следующие токи и напряжения:
э1
э2
к3
б12
5
к11
15
I=I, I+I=I, I≈I,
к4
б7
6
5
э2
э4
к4
I+I=I=I, I=I≈I,
кб3
кб5
б5
б6
б12
б7
U≈U, U≈U, I≈I,
э
к
б
где I, I, I - ток эмиттера, ток коллектора и ток базы транзисторов;
кб
U - напряжение коллектор-база;
5
6
I=I - токи двухполюсников 5 и 6.
(-)
За счет соответствующего построения цепи смещения 14 можно обеспечить нулевой потенциал на выходе 9 при введении 100% общей отрицательной обратной связи на вход Вх.1.
см
Благодаря предлагаемой схемотехнике в заявляемом устройстве при несимметричном выходе реализуется симметричный статический режим по напряжению коллектор-база транзисторов 3 и 4, а также транзисторов 12 и 7. Данное обстоятельство является необходимым условием минимизации статических погрешностей в схеме фиг.4, зависящих от токов базы транзисторов 12 и 7, а также эффекта Эрли в транзисторах 3 и 4. В результате более чем на порядок уменьшается напряжение смещения нуля (U), повышается коэффициент ослабления входных синфазных сигналов.
у
Замечательная особенность ККДУ фиг.4 состоит также в том, что его коэффициент усиления по напряжению К повышается более чем на 10-20 дБ (фиг.7, фиг.8) с одновременным увеличением площади усиления. Это связано с эффектом взаимной компенсации влияния на коэффициент усиления паразитных выходных проводимостей в цепи базы транзистора 7.
Таким образом, заявляемое устройство характеризуется существенными преимуществами в сравнении с прототипом. Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемой схемы в среде PSpice.
Литература
1. Патент США №3.786.362.
2. Патент США №4.030.044.
3. Патент США №4.059.808, фиг.5.
4. Патент США №4.286.227.
5. Авт. свид. СССР №375754, H03f 3/38.
6. Авт. свид. СССР №843164, H03f 3/30.
7. Патент США №3.660.773.
8. Патент США №4.560.948.
9. Патент РФ №2930041, H03f 1/32.
10. Патент Японии №57-5364, H03f 3/343.
2
11. Патент ЧССР №134845, кл. 21а18/08.
2
12. Патент ЧССР №134849, кл. 21а18/08.
2
13. Патент ЧССР №135326, кл. 21а 18/08.
14. Патент США №4.389.579.
15. Патент Англии №1543361, Н3Т.
16. Патент США №5.521.552 (фиг.3а).
17. Патент США №4.059.808.
18. Патент США №5.789.949.
19. Патент США №4.453.134.
20. Патент США №4.760.286.
21. Авт. свид. СССР №1283946.
22. Патент РФ №2019019.
23. Патент США №4.389.579.
24. Патент США №4.453.092.
25. Патент США №3.566.289.
26. Патент США №4.059.808 (фиг.2).
27. Патент США №3.649.926.
28. Патент США №4.714.894 (фиг.1).
29. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989.
30. М.Херпи. Аналоговые интегральные схемы. - М.: Радио и связь, 1983, стр.174, рис.5.52.