КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

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.).
у
В современной микроэлектронике широко применяются простейшие каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей, фазорасщипителей и т.п. Коэффициент усиления по напряжению (K) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ меньше 2,0÷2,5 В, 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 №4.511.852 fig.3. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1.
у
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [2-15], состоит в том, что при использовании резисторов коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (K), например, для выхода Вых.2 получается небольшим:
9
где R - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
эi
r - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора.
9
э17
э18
у.прот
Например, при R=1 кОм и r=r=25 Ом, коэффициент усиления ДУ-прототипа K≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.
9
7
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R=R=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником питания.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 представлена схема ДУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НИИ «Пульсар», а на фиг.5 - заявляемого устройства фиг.2.
13
12
у
На фиг.6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.4 и фиг.5. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R=R=1 кОм), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.5) повышается на 24 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с K ДУ-прототипа фиг.4. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником питания.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены на транзисторах 20 и 21, включенных по схеме с общей базой.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены в виде двухполюсников 22 и 23 с низким дифференциальным сопротивлением - стабилитронов или их более сложных транзисторных аналогов.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 19, 15 и 16. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, 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;
э17
э18
r=r - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 17 и 18.
н.экв.2
н.экв.1
вых.2
вых.1
Причем R и R как выходные сопротивления при одновременном противофазном изменении u и u можно найти из выражения:
где
В последних формулах:
i13
i14
K≤1, K≤1 - коэффициенты усиления по току токовых зеркал 13 и 14;
вых
вых.1
выx.2
u=u=u - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:
у.прот
где K - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1.
у
Поэтому выигрыш по K в схеме фиг.2
i14
i13
i14
i13
у.з
В практических схемах K и K всегда меньше единицы (K=0,9÷0,99, K=0,98÷0,99). Тем не менее выигрыш по K получается значительным - на 24 дБ (фиг.6).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №3.660.773
2. Патент Франции №1.484.340
3. Патент ФРГ №1.214.733
4. Патент Англии №1.520.085
5. Патент США №3.482.177
6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т
7. Патент ФРГ №1.537.590
8. Патент Франции №1.548.008
9. Патент ФРГ №2.418.455
10. Патент США №5.185.582 fig.1
11. Патент США №4.151.483 fig.3
12. Патент Японии JP 61264806
13. Патент США №3.660.773
14. Авт.св. СССР №427451