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, решающих усилителях, фильтрах, компараторах т.п.).
Известны схемы классических дифференциальных операционных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.
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 по патенту RU 2346382, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых соединены со входами 3 и 4 устройства, первый 5 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 1 входного транзистора 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 выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, напряжения первого 6 источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет нестабильный уровень выходного синфазного напряжения, зависящий от параметров резисторов обратной связи 12 и 13 и напряжения первого 6 источника питания. Это значительно затрудняет его согласование с последующим и функциональными узлами.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и нулевое значение.
Дополнительная задача - расширение частотного диапазона за счет исключения эффекта умножения емкостей коллектор-база входных транзисторов 1 и 2 и его влияния на входной импеданс ДУ в диапазоне высоких частот.
Поставленные задачи решаются 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 эмиттером первого 1 входного транзистора 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 выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 17 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора и связан с шиной первого 6 источника питания через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с базой первого 7 выходного транзистора, коллектор второго 17 дополнительного транзистора соединен с базой второго 8 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов связаны с шиной первого 6 источника питания через соответствующие первый 19 и второй 20 вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого 12 и второго 13 резисторов обратной связи соединен с базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, п.2 формулы изобретения.
На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП ИПП «Пульсар», а на фиг.4 - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты.
вх
На фиг.5 представлена зависимость выходных напряжений для парафазных и дифференциальных выходов ДУ (фиг.3) от входного синусоидального напряжения u=30 мВ. Графики фиг.5 показывают, что заявляемый ДУ имеет два противофазных выходных напряжения и нулевой уровень выходного синфазного статического напряжения.
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 эмиттером первого 1 входного транзистора 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 выходами 10, 11 устройства и связаны друг с другом через два последовательно соединенных первый 12 и второй 13 резисторы цепи обратной связи, первый 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой первого 7 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания, второй 15 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между базой второго 8 выходного транзистора и шиной второго 9 источника питания. В схему введены первый 16 и второй 17 дополнительные транзисторы с объединенными базами, эмиттер первого 16 дополнительного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер второго 17 дополнительного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора и связан с шиной первого 6 источника питания через первый 18 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, коллектор первого 16 дополнительного транзистора связан с базой первого 7 выходного транзистора, коллектор второго 17 дополнительного транзистора соединен с базой второго 8 выходного транзистора, причем эмиттеры первого 7 и второго 8 выходных транзисторов связаны с шиной первого 6 источника питания через соответствующие первый 19 и второй 20 вспомогательные двухполюсники, а общий узел последовательно соединенных первого 12 и второго 13 резисторов обратной связи соединен с базами первого 16 и второго 17 дополнительных транзисторов.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллекторы первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с шиной второго 9 источника питания.
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2).
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 5, 14, 15, 18, 19 и 20. Причем коллекторные и эмиттерные токи:
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 1.7;
- составляющая суммарного тока баз транзисторов 16 и 17 в резисторе обратной связи 12 (13).
12
13
Таким образом, при -типовых значениях токов базы транзисторов 16, 17, 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.
кб
Кроме этого, схема фиг.2 имеет более широкий частный диапазон по входной проводимости. Это связано с тем, что в ней по входам 3, 4 отсутствует эффект умножения емкостей «коллектор-база» (С) входных транзисторов (1, 2), характерный для ДУ-прототипа (фиг.1), в котором входные емкости
вх.3
вх.4
где С, С - входные емкости ДУ (фиг.1) по первому (3) и второму (4) входам;
у1
у2
К>>1, К>>1 - коэффициент усиления по напряжению входного каскада ДУ со входов (3), (4) до коллекторов соответствующих транзисторов (1) и (2).
В заявляемом ДУ (фиг.2) входные емкости минимальны:
Это расширяет частотный диапазон ДУ.
Таким образом, предлагаемый ДУ имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Литература
1. Budyakov, A.Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko M, 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 CS1CS, 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 №1.1.75.329, НЗТ.
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.