ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С НУЛЕВЫМ УРОВНЕМ ВЫХОДНЫХ СТАТИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH ZERO LEVEL OF OUTPUT STATIC VOLTAGES

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (видеоусилителей, операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).
Известны дифференциальные усилители (ДУ) на комплементарных n-p-n и p-n-p-транзисторах [1-29], которые составляют основу многих аналоговых микросхем ведущих микроэлектронных фирм (µА741, µА748, µА776 и др.) [1].
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту US №4.901.031. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что уровень постоянных составляющих его выходных противофазных напряжений смещен относительно общей шины источников питания. Это не позволяет обеспечить в ДУ:
- высокое усиление (Ку) при нулевом уровне статических напряжений на потенциальных выходах устройства;
- каскодное (последовательное) соединение двух и более идентичных ДУ без специальных цепей смещения статического уровня выходов ДУ относительно общей шины.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходные статические напряжения ДУ всегда близки к потенциалу общей шины источников питания ДУ. То есть такой ДУ обеспечивает преобразование входных сигналов, изменяющихся относительно общей шины источников питания в выходные напряжения, которые имеют близкие к нулю уровни постоянной составляющей и также изменяются противофазно относительно общей шины источников питания. Идентичные каскады данного класса допускают непосредственное соединение друг с другом и не требуют специальных цепей смещения статического уровня, ухудшающих их частотные и другие свойства.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - первый 7 источник опорного тока включен между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, второй дополнительный 13 источник опорного тока включен между коллектором второго 6 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, между коллекторами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов включены последовательно соединенные первый 14 и второй 15 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем противофазными потенциальными выходами устройства 16, 17 являются коллекторы первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а в качестве первого 1 и второго 2 входных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, затворы которых являются входными управляющими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, стоки - выходными токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а истоки - инжектирующими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема усилителя в соответствии с п.2 формулы изобретения, где первая группа (8, 9) противофазных токовых выходов дифференциального усилителя связана со второй 18 шиной источника питания через дополнительную цепь нагрузки 19, причем токовые выходы 8 и 9 являются дополнительными потенциальными противофазными выходами устройства.
На чертеже фиг.4 показана схема усилителя фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г.Минск).
1
2
На чертеже фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления ДУ фиг.4 от сопротивлений дополнительных резисторов R R (14 и 15 в обозначениях фиг.2).
Дифференциальный усилитель с нулевым уровнем выходных статических напряжений фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора. В данной схеме первый 7 источник опорного тока включен между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, второй дополнительный 13 источник опорного тока включен между коллектором второго 6 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, между коллекторами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов включены последовательно соединенные первый 14 и второй 15 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем противофазными потенциальными выходами устройства 16, 17 являются коллекторы первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а в качестве первого 1 и второго 2 входных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, затворы которых являются входными управляющими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, стоки - выходными токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а истоки - инжектирующими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, введена дополнительная цепь нагрузки 19, содержащая в частном случае резисторы нагрузки 20 и 21.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2.
вх.1
вх.2
При нулевом входном сигнале (u=u=0) статический режим транзисторов 1, 2 и 5, 6 устанавливается источниками опорного тока 7 и 13:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>c</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>u</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>э</mi><mn>5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>к</mi><mn>5</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>7</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>c</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>u</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>э</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>к</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
c
u
где I, I - токи стока и истока полевых транзисторов 1, 2;
э
к
I, I - токи эмиттера и коллектора транзисторов 5 и 6.
При этом на основании второго закона Кирхгофа можно найти, что выходные статические напряжения ДУ фиг.2:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>б</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.5</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>I</mi><mi>б</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>э</mi><mi>б</mi><mn>.5</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
14
б
15
б
эб.5
При относительно небольших значениях напряжений на резисторах 14 и 15 (RI=RI<<U) из (3), (4) для кремниевых технологий можно получить:
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,7</mn><mi>B</mi><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi><mn>.2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>0,7</mn><mi>B</mi><mo>.</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
зи
Напряжения затвор-исток U полевого транзистора связаны с током стока (истока) следующей приближенной формулой
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>з</mi><mi>и</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
c.max
зи
где I - максимальный ток стока при U=0;
отс
c
U - напряжение отсечки при I≈0.
зи
с
Учитывая, что численные значения напряжений затвор-исток (U) полевого транзистора с управляющим p-n переходом могут изменяться в зависимости от тока стока I в широких пределах, из (5) и (6) можно найти, что при линейной аппроксимации стоко-затворной характеристики полевого транзистора (7) и выборе токов двухполюсников 7 и 13 в соответствии с формулой:
<mrow><msub><mi>I</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>c</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>0,7</mn><mi>B</mi></mrow><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>о</mi><mi>т</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mn>7</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mn>13</mn></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
у
выходные статические напряжения (5) и (6) в заявляемом ДУ будут близки к нулю. Данный аналитический вывод подтверждается экспериментом. То есть к выходам 16 и 17 ДУ фиг.2 можно присоединить (без потери эффективности использования напряжения питания) входы 3 и 4 такого же ДУ и увеличить общий К такой двухкаскадной структуры. В классических структурах это невозможно.
Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом «Додека», 2001.- 560 с.
2. Патент США №3.786.362
3. Патент США №4.030.044
4. Патент США №4.059.808, фиг.5
5. Патент США №4.286.227
6. Авт.свид. СССР №375754, H03f 3/38
7. Авт.свид. СССР №843164, H03f 3/30
8. Патент США №3.660.773
9. Патент США №4.560.948
10. Патент РФ №2930041, H03f 1/32
11. Патент Японии №57-5364, H03f 3/343
2
12. Патент ЧССР №134845, кл. 21а 18/08
2
13. Патент ЧССР №134849, кл. 21а 18/08
2
14. Патент ЧССР №135326, кл. 21а 18/08
15. Патент США №4.389.579
16. Патент Англии №1543361, НЗТ
17. Патент США №5.521.552 (фиг.3а)
18. Патент США №4.059.808
19. Патент США №5.789.949
20. Патент США №4.453.134
21. Патент США №4.760.286
22. Авт.свид. СССР №1283946
23. Патент РФ №2019019
24. Патент США №4.389.579
25. Патент США №4.453.092
26. Патент США №3.566.289
27. Патент США №4.059.808 (фиг.2)
28. Патент США №3.649.926
29. Патент США №4.714.894 (фиг.1).