ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL 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, операционных усилителях (ОУ) с дифференциальным выходом, компараторах, СВЧ-усилителях, фильтрах, драйверах линий связи и т.п.).
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколений.
В последние годы ДУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи. 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, описанный в патенте RU 2346382, содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 резисторов коллекторной нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому и второму противофазным выходам дифференциального усилителя, причем общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, второй вывод вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединены с первой 14 шиной источников питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны со второй 15 шиной источников питания.
n
n
у
уmах
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 (патент RU 2346382), архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-14], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (E), характерных для SiGe технологических процессов (E≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим (К=10÷20). В первую очередь, это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения К применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы 0,8÷1,6 В статического напряжения U между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения U равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное дифференциальное сопротивление
,
Эрли
где U - напряжение Эрли выходного р-n-р транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера р-n-р выходного транзистора ДН.
Эрли
0
у
Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а также некоторых SiGe p-n-p транзисторов IHP и U=20÷30 В. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить К>200÷300.
ДН
эб
Более высокие выходные сопротивления R реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 В. При низковольтном питании это неприемлемо.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, классические схемотехнические решения ДУ неэффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при низковольтном питании.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 резисторов коллекторной нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому и второму противофазным выходам дифференциального усилителя, причем общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, второй вывод вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединены с первой 14 шиной источников питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны со второй 15 шиной источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, коллектор второго 17 дополнительного транзистора связан со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, второй вывод первого 4 резистора коллекторной нагрузки через первый 18 дополнительный двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания и эмиттером первого 16 дополнительного транзистора, второй вывод второго 5 резистора коллекторной нагрузки через второй 19 дополнительный двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания и эмиттером второго 17 дополнительного транзистора, причем базы первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов соединены с цепью смещения потенциалов 20.
Схема ДУ-прототипа показана на фиг.1.
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 и п.3 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема дифференциального усилителя-прототипа, а на фиг.4 - заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
На фиг.5 приведены амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.3, фиг.4.
На фиг.6 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На фиг.7 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.5 формулы изобретения.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 резисторов коллекторной нагрузки и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, а база связана с первым выводом вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, имеющие общий узел 13, подключенные к эмиттерам соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов и первому и второму противофазным выходам дифференциального усилителя, причем общий узел 13 первого 11 и второго 12 резисторов обратной связи соединен с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, второй вывод вспомогательного прямосмещенного р-n перехода 10 и эмиттер выходного транзистора стабилизатора тока 8 соединены с первой 14 шиной источников питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 выходных транзисторов связаны со второй 15 шиной источников питания. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, коллектор второго 17 дополнительного транзистора связан со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, второй вывод первого 4 резистора коллекторной нагрузки через первый 18 дополнительный двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания и эмиттером первого 16 дополнительного транзистора, второй вывод второго 5 резистора коллекторной нагрузки через второй 19 дополнительный двухполюсник соединен со второй 15 шиной источника питания и эмиттером второго 17 дополнительного транзистора, причем базы первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов соединены с цепью смещения потенциалов 20.
Кроме этого, на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, цепь смещения потенциалов 20 содержит вспомогательный источник напряжения 21, связанный с базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов. Входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 22 и 23.
Далее, на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 18 и второй 19 дополнительные двухполюсники выполнены в виде резисторов.
На фиг.6, в соответствии с п.4 формулы изобретения, первый 18 и второй 19 дополнительные двухполюсники выполнены в виде двух р-n переходов, причем цепь смещения потенциалов 20 содержит первый 24 и второй 25 вспомогательные источники опорного тока, каждый из которых соединен с базами соответствующего первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов и коллекторами соответствующих первого 26 и второго 27 вспомогательных транзисторов, причем база первого 26 вспомогательного транзистора связана с эмиттером первого 16 дополнительного транзистора, база второго 27 вспомогательного транзистора соединена с эмиттером второго 17 дополнительного транзистора, а эмиттеры первого 26 и второго 27 вспомогательных транзисторов связаны со второй 15 шиной источника питания.
На фиг.7, в соответствии с п.5 формулы изобретения, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 через первый 28 дополнительный прямосмещенный р-n переход и через первый 29 дополнительный источник тока соединен с первой 14 шиной источника питания, коллектор второго 17 дополнительного транзистора связан со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 через второй 30 дополнительный прямосмещенный р-n переход и через второй 31 дополнительный источник тока соединен с первой 14 шиной источника питания.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается дополнительными двухполюсниками (резисторами) 18 и 19, цепью смещения потенциалов 20, а также сравнительно низкоомными резисторами 11 и 12
0
где I - заданный статический ток (например, 0,5 мА);
кi
I - коллекторный ток 1-го транзистора;
2
3
I=I - статические токи в цепи первого 2 и второго 3 токовых выходов входного дифференциального каскада 1;
R4
R5
I=I - статические токи через резисторы коллекторной нагрузки 4 и 5.
Статические напряжения на токовых выходах 2 и 3 относительно первой 14 шины источников питания определяются уравнениями
эб.б
d.10
где U≈U≈0,7 В - напряжение на р-n переходах транзистора 6 и прямосмещенного р-n перехода 10.
Таким образом, за счет выбора сопротивления R11=R12 резисторов обратной связи 11 и 12 можно обеспечить заданный статический режим по напряжению на токовых выходах 2 и 3 входного дифференциального каскада 1.
вх
2
R4
R5
При отрицательном входном напряжении u<0 напряжение на токовом выходе 2 (u) увеличивается, а на токовом выходе 3 - уменьшается. Это приводит к изменению токов i и i через резисторы коллекторной нагрузки 4 и 5, а затем соответствующих токов эмиттера и коллектора транзисторов 16 и 17. Как следствие, суммарный переменный ток в цепи токовых выходов 2 и 3 не изменяется, что эквивалентно умножению эффективного значения сопротивления резисторов коллекторной нагрузки 4 и 5
16
17
где α, α=0,98-0,99 - коэффициент передачи по току эмиттера транзисторов 16 и 17.
4
5
Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2, несмотря на сравнительно малые значения R и R, возрастает на 20 дБ, т.е. в 10 раз. Данные выводы подтверждаются графиками фиг.5.
у
у
R5
R4
Основная цель модернизации предлагаемого ДУ по п.4 формулы изобретения (фиг.6) - дальнейшее повышение коэффициента усиления по напряжению К в сравнении с ДУ фиг.2 за счет более рационального построения цепи смещения потенциалов 20. Данное техническое решение обеспечивает дополнительное повышение К на 8÷16 дБ в сравнении со схемой фиг.2 за счет более полной передачи токов i, i в узлы «А» и «В».
28
30
28
30
Построение ДУ по п.4 формулы изобретения (фиг.6) может сопровождаться дополнительным ограничением на минимально возможное напряжение питания . От этого недостатка свободна более перспективная схема ДУ фиг.7 (п.5 формулы изобретения), в которой за счет новых элементов и связей между ними реализуется не только повышенное (в сравнении с фиг.2) усиление, но и экстремально низкое напряжение питания. Действительно, в сравнении со схемой фиг.6 минимальное напряжение питания  в данной схеме на U=U=0,7÷0,8 В меньше, где U=U - напряжения на прямосмещенных р-n переходах 28, 30.
Таким образом, предлагаемый дифференциальный усилитель имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. 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.
2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.
3. S.P. Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz," IEEE BCTM, pp.1-8, Oct. 2006.
4. Патент США №4.274.394, фиг.2.
5. Патент США №3.619.797.
6. Патент США №3.622.902.
7. Патент США №3.440.554.
8. А.св. СССР №299013.
9. Патент Англии №1.175.329, Н3Т.
10. Патент США №3.304.512.
11. Патент США №4.371.93.
12. А.св. СССР №421105.
13. А.св. СССР №764100.
14. А.св. СССР №669471.