Операционный транскондуктивный усилитель с дифференциальным выходом
OPERATIONAL TRANSCONDUCTIVE AMPLIFIER WITH DIFFERENTIAL OUTPUT

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано при разработке электронных интегральных схем с переключаемыми конденсаторами.
Известен операционный усилитель (ОУ) с дифференциальным выходом [заявка KR 20020063733 A, МПК H03F 1/22, опубликованная 05.08.2002] на комплементарных металл-оксид-полупроводник (МОП) транзисторах, состоящий из входной дифференциальной пары транзисторов с n-каналом, двух пар выходных комплементарных транзисторов и пяти источников тока на основе МОП-транзисторов. Первый и второй источники тока реализованы на транзисторах с p-каналом. Каждый из этих двух источников питает две цепи, первая часть тока протекает через транзистор входной дифференциальной пары, а вторая – через выходной транзистор. Третий источник тока на транзисторе с n-каналом используется для питания входной дифференциальной пары. Четвертый и пятый источники тока на транзисторах с n-каналом используются для питания выходных цепей. Недостатком данной схемы является необходимость использования четырёх дополнительных цепей для формирования уровней напряжений смещения, подаваемых на затворы МОП-транзисторов. Реализация этих цепей требует увеличения как площади кристалла, так и потребляемой мощности для полной схемы ОУ.
Известен ОУ с дифференциальным выходом [заявка US 2002171486 A1, МПК H03F3/45, опубликованная 21.11.2002] на комплементарных МОП-транзисторах. Основная часть данной схемы состоит из двух входных дифференциальных пар транзисторов с p- и n-каналами, двух пар выходных комплементарных транзисторов и шести источников тока. Первый и второй источники тока реализованы на транзисторах с p-каналом. Каждый из этих двух источников питает две цепи, первая часть тока протекает через транзистор входной дифференциальной пары с n-каналом, а вторая – через выходной транзистор с p-каналом. Третий и четвёртый источники тока реализованы на транзисторах с n-каналом. Каждый из этих двух источников питает две цепи, первая часть тока протекает через транзистор входной дифференциальной пары с p-каналом, а вторая – через выходной транзистор с n-каналом. Два оставшихся источника тока используются для питания входных дифференциальных пар. Недостатком данной схемы является необходимость использования трёх дополнительных цепей для формирования уровней напряжений смещения, подаваемых на затворы МОП-транзисторов. Реализация этих цепей требует увеличения как площади кристалла, так и потребляемой мощности для полной схемы ОУ.
Известен усилитель с дифференциальным выходом [патент US6043708, МПК H03F3/45, опубликованный 28.03.2000], выбранный за прототип. Данный усилитель является операционным транскондуктивным усилителем (ОТУ) и состоит из двух входных дифференциальных пар транзисторов с p- и n-каналами, двух пар выходных комплементарных транзисторов и шести источников тока. В частном случае ОТУ может содержать первый, второй, третий, четвёртый, пятый, шестой, седьмой, восьмой МОП-транзисторы с n-каналом и первый, второй, третий, четвёртый, пятый, шестой, седьмой, восьмой МОП-транзисторы с p-каналом.
Исток первого МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком второго МОП-транзистора с n-каналом и со стоком восьмого МОП-транзистора с n-каналом. Исток первого МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком второго МОП-транзистора с p-каналом и со стоком восьмого МОП-транзистора с p-каналом. Исток четвёртого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком шестого МОП-транзистора с n-каналом и со стоком первого МОП-транзистора с p-каналом. Исток четвёртого МОП-транзистора с p-каналом соединён со стоком шестого МОП-транзистора с p-каналом и со стоком первого МОП-транзистора с n-каналом. Исток пятого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком седьмого МОП-транзистора с n-каналом и со стоком второго МОП-транзистора с p-каналом. Исток пятого МОП-транзистора с p-каналом соединён со стоком седьмого МОП-транзистора с p-каналом и со стоком второго МОП-транзистора с n-каналом. Исток восьмого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком третьего МОП-транзистора с n-каналом. Исток восьмого МОП-транзистора с p-каналом соединён со стоком третьего МОП-транзистора с p-каналом. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Сток четвёртого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком четвёртого МОП-транзистора с p-каналом. Сток пятого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком пятого МОП-транзистора с p-каналом. Затворы четвёртого, пятого и восьмого МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Затворы четвёртого, пятого и восьмого МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Затворы третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Затворы третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Затвор первого МОП-транзистора с n-каналом соединён с затвором первого МОП-транзистора с p-каналом. Затвор второго МОП-транзистора с n-каналом соединён с затвором второго МОП-транзистора с p-каналом.
Усилитель имеет дифференциальный вход, состоящий из первого и второго входных узлов, дифференциальный выход, состоящий из первого и второго выходных узлов, четыре входных узла напряжения смещения. Дифференциальный вход состоит из первого и второго входных узлов усилителя. Первый входной узел подключен к затворам первого МОП-транзистора с n-каналом и первого МОП-транзистора с p-каналом. Второй входной узел подключен к затворам второго МОП-транзистора с n-каналом и второго МОП-транзистора с p-каналом. Четыре входных узла напряжения смещения подключаются к дополнительным внешним источникам напряжения смещения. Первый входной узел напряжения смещения подключен к затворам третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом. Второй входной узел напряжения смещения подключен к затворам третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с p-каналом. Третий входной узел напряжения смещения подключен к затворам четвёртого, пятого и восьмого МОП-транзисторов с n-каналом. Четвёртый входной узел напряжения смещения подключен к затворам четвёртого, пятого и восьмого МОП-транзисторов с p-каналом. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с n-каналом подключены к шине питания с низким уровнем напряжения. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с p-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с p-каналом подключены к шине питания с высоким уровнем напряжения. Первый выходной узел подключен к стокам четвёртого МОП-транзистора с n-каналом и четвёртого МОП-транзистора с p-каналом. Второй выходной узел подключен к стокам пятого МОП-транзистора с n-каналом и пятого МОП-транзистора с p-каналом.
В схеме прототипа как третий и восьмой МОП-транзисторы с n-каналом, так и третий и восьмой МОП-транзисторы с p-каналом играют роль источников суммарного тока входных дифференциальных пар МОП-транзисторов с n- и p-каналами соответственно.
Недостатком схемы прототипа ОТУ является необходимость использования четырёх дополнительных цепей для формирования уровней напряжений смещения, подаваемых на входные узлы напряжения смещения усилителя. Реализация этих цепей требует увеличения как площади кристалла, так и потребляемой мощности для полной схемы ОТУ.
Технической проблемой изобретения является уменьшение площади, занимаемой полной схемой ОТУ на кристалле. Для решения технической проблемы необходимо создать схему ОТУ, работоспособную при использовании одного уровня напряжения смещения на затворах МОП-транзисторов, для формирования которого понадобится только одна дополнительная цепь.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что аналогично прототипу ОТУ реализуется на комплементарных МОП-транзисторах и состоит из двух входных дифференциальных пар транзисторов с p- и n-каналами, двух пар выходных комплементарных транзисторов и шести источников тока. Схема ОТУ содержит дифференциальный вход, состоящий из первого и второго входных узлов, дифференциальный выход, состоящий из первого и второго выходных узлов, входной узел напряжения смещения, первый, второй, третий, четвёртый, пятый, шестой, седьмой МОП-транзисторы с n-каналом и первый, второй, третий, четвёртый, пятый, шестой, седьмой МОП-транзисторы с p-каналом. Исток первого МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком второго МОП-транзистора с n-каналом. Исток первого МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком второго МОП-транзистора с p-каналом. Исток четвёртого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком шестого МОП-транзистора с n-каналом и со стоком первого МОП-транзистора с p-каналом. Исток четвёртого МОП-транзистора с p-каналом соединён со стоком шестого МОП-транзистора с p-каналом и со стоком первого МОП-транзистора с n-каналом. Исток пятого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком седьмого МОП-транзистора с n-каналом и со стоком второго МОП-транзистора с p-каналом. Исток пятого МОП-транзистора с p-каналом соединён со стоком седьмого МОП-транзистора с p-каналом и со стоком второго МОП-транзистора с n-каналом. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Истоки третьего, шестого и седьмого и МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Сток четвёртого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком четвёртого МОП-транзистора с p-каналом. Сток пятого МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком пятого МОП-транзистора с p-каналом. Затворы четвёртого и пятого МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Затвор первого МОП-транзистора с n-каналом соединён с затвором первого МОП-транзистора с p-каналом. Затвор второго МОП-транзистора с n-каналом соединён с затвором второго МОП-транзистора с p-каналом. Первый входной узел подключен к затворам первого МОП-транзистора с n-каналом и первого МОП-транзистора с p-каналом. Второй входной узел подключен к затворам второго МОП-транзистора с n-каналом и второго МОП-транзистора с p-каналом. Истоки третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с n-каналом подключены к шине питания с низким уровнем напряжения. Истоки третьего, шестого и седьмого и МОП-транзисторов с p-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с p-каналом подключены к шине питания с высоким уровнем напряжения. Первый выходной узел подключен к стокам четвёртого МОП-транзистора с n-каналом и четвёртого МОП-транзистора с p-каналом. Второй выходной узел подключен к стокам пятого МОП-транзистора с n-каналом и пятого МОП-транзистора с p-каналом. Входной узел напряжения смещения подключен к затворам третьего, шестого и седьмого МОП-транзисторов с n-каналом.
В отличие от прототипа, сток третьего МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком первого МОП-транзистора с n-каналом и с истоком второго МОП-транзистора с n-каналом, сток третьего МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком первого МОП-транзистора с p-каналом и с истоком второго МОП-транзистора с p-каналом, затворы третьего, четвёртого, пятого, шестого, седьмого МОП-транзисторов с n-каналом и затворы третьего, четвёртого, пятого, шестого, седьмого МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой, входной узел напряжения смещения подключен к затворам четвертого, пятого МОП-транзисторов с n-каналом и третьего, четвертого, пятого, шестого, седьмого МОП-транзисторов с p-каналом.
В предлагаемой схеме ОТУ источниками суммарного тока входных дифференциальных пар МОП-транзисторов являются третий МОП-транзистор с n-каналом и третий МОП-транзистора с p-каналом, стоки которых подключаются к истокам МОП-транзисторов входных дифференциальных пар. На затворы третьего, четвёртого, пятого, шестого и седьмого МОП-транзистора с n-каналом и затворы третьего, четвёртого, пятого, шестого и седьмого МОП-транзисторов с p-каналом подаётся один уровень напряжения смещения. Режимы работы указанных МОП-транзисторов аналогичны их режимам работы в прототипе. Поэтому предлагаемая схема ОТУ функционально аналогична схеме прототипа, но для формирования напряжения смещения требуется только одна дополнительная цепь. Такое решение позволяет отказаться от трёх дополнительных цепей для формирования уровней напряжений смещения, необходимых в схеме прототипа. Отсутствие данных трёх дополнительных цепей позволяет сэкономить площадь кристалла для полной схемы ОТУ.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется графическими материалами. На фиг. 1 изображена предлагаемая схема ОТУ. На фиг. 2 – 5 показаны результаты компьютерного моделирования схем прототипа и предлагаемого технического решения, а именно: амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) и фазочастотные характеристики (ФЧХ) схем в виде зависимости коэффициента усиления K от частоты и зависимости фазового сдвига ϕ от частоты соответственно. На фиг. 2 представлены АХЧ и ФЧХ прототипа для кремниевой технологии UMC 180 нм, где маркерами отмечены три характерные точки: максимальный коэффициент усиления (маркер 1: 10 кГц, 57,0805 дБ), частота единичного усиления (маркер 2: 208,435 МГц, 0,0 дБ) и запас по фазе (маркер 3: 208,435 МГц, 78,6683 град). На фиг. 3 показаны АЧХ и ФЧХ предлагаемого технического решения для кремниевой технологии UMC 180 нм, где маркерами отмечены три характерные точки: максимальный коэффициент усиления (маркер 1: 10 кГц, 56,6678 дБ), частота единичного усиления (маркер 2: 203,879 МГц, 0,0 дБ) и запас по фазе (маркер 3: 203,879 МГц, 79,6946 град). На фиг. 4 показаны АЧХ и ФЧХ прототипа для технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм, где маркерами отмечены три характерные точки: максимальный коэффициент усиления (маркер 1: 100 Гц, 60,2462 дБ), частота единичного усиления (маркер 2: 210,867 МГц, 0,0 дБ) и запас по фазе (маркер 3: 210,867 МГц, 82,3471 град). На фиг. 5 показаны АЧХ и ФЧХ предлагаемого технического решения для технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм, где маркерами отмечены три характерные точки: максимальный коэффициент усиления (маркер 1: 100 Гц, 61,1149 дБ), частота единичного усиления (маркер 2: 227,693 МГц, 0,0 дБ) и запас по фазе (маркер 3: 227,693 МГц, 81,4666 град).
Операционный транскондуктивный усилитель содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвёртый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 МОП-транзисторы с n-каналом и первый 11, второй 12, третий 13, четвёртый 14, пятый 15, шестой 16, седьмой 17 МОП-транзисторы с p-каналом.
Исток первого 1 МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и со стоком третьего 3 МОП-транзистора с n-каналом. Исток первого 11 МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком второго 12 МОП-транзистора с p-каналом и со стоком третьего 13 МОП-транзистора с p-каналом. Истоки третьего 3, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом соединены между собой. Истоки третьего 13, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Сток шестого 6 МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком четвёртого 4 МОП-транзистора с n-каналом и со стоком первого 11 МОП-транзистора с p-каналом. Сток седьмого 7 МОП-транзистора с n-каналом соединён с истоком пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом и со стоком второго 12 МОП-транзистора с p-каналом. Сток шестого 16 МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком четвёртого 14 МОП-транзистора с p-каналом и со стоком первого 1 МОП-транзистора с n-каналом. Сток седьмого 17 МОП-транзистора с p-каналом соединён с истоком пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом и со стоком второго 2 МОП-транзистора с n-каналом. Сток пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом. Сток четвёртого 4 МОП-транзистора с n-каналом соединён со стоком четвёртого 14 МОП-транзистора с p-каналом. Затворы третьего 3, четвёртого 4, пятого 5, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом и затворы третьего 13, четвёртого 14, пятого 15, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом соединены между собой. Затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом соединены между собой. Затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом соединены между собой.
Операционный транскондуктивный усилитель имеет дифференциальный вход, состоящий из первого входного узла 8 и второго входного узла 9, дифференциальный выход, состоящий из первого выходного узла 18 и второго выходного узла 19, входной узел 10 напряжения смещения. Первый входной узел 8 подключен к затворам первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзисторов с p-каналом. Второй входной узел 9 подключен к затворам второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзисторов с p-каналом. Входной узел 10 напряжения смещения подключен к затворам третьего 3, четвёртого 4, пятого 5, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом и затворам третьего 13, четвёртого 14, пятого 15, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом. Истоки третьего 3, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с n-каналом подключены к шине питания 20 с низким уровнем напряжения. Истоки третьего 13, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом и подложки всех МОП-транзисторов с p-каналом подключены к шине питания 21 с высоким уровнем напряжения. Первый выходной узел 18 подключен к стокам четвёртого 4 МОП-транзистора с n-каналом и четвёртого 14 МОП-транзистора с p-каналом. Второй выходной узел 19 подключен к стокам пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом и пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом.
Первый 1, второй 2 и третий 3 МОП-транзисторы с n-каналом так же, как и первый 11, второй 12 и третий 13 МОП-транзисторы с p-каналом, представляют входные дифференциальные каскады. Выходные комплементарные пары представлены четвёртым 4 МОП-транзистором с n-каналом и четвёртым 14 МОП-транзистором с p-каналом, пятым 5 МОП-транзистором с n-каналом и пятым 15 МОП-транзистором с p-каналом.
Операционный транскондуктивный усилитель работает следующим образом. Входной дифференциальный сигнал  подают на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом и на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом:
., где
– входной дифференциальный сигнал;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом.
Переменные составляющие токов стока первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов с n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов с p-каналами имеют вид:
, где
– переменная составляющая тока стока первого 1 МОП-транзистора с n-каналом;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами;
– переменная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока первого 1 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– переменная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с p-каналом.
На затворы третьего 3, четвёртого 4, пятого 5, шестого 6, седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом и затворы третьего 13, четвёртого 14, пятого 15, шестого 16, седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом подается напряжение смещения уровня постоянной составляющей . Поскольку напряжение на затворах третьего 3, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом одинаково, то токи стоков данных транзисторов равны друг другу:
, где
– постоянная составляющая тока стока третьего 3 МОП-транзистора с n-каналом;
– постоянная составляющая тока стока шестого 6 МОП-транзистора с n-каналом;
– постоянная составляющая тока стока седьмого 7 МОП-транзистора с n-каналом;
– крутизна третьего 3, шестого 6 и седьмого 7 МОП-транзисторов с n-каналом;
– напряжение на шине питания 20 с низким уровнем напряжения;
– напряжение отпирания МОП-транзисторов с n-каналом.
Ток стока третьего 3 МОП-транзистора с n-каналом разделяется на токи стоков первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов с n-каналом:
.
Поскольку напряжение на затворах третьего 13, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом одинаково, то токи, проходящие через данные транзисторы, равны друг другу:
, где
– постоянная составляющая тока стока третьего 13 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока шестого 16 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока седьмого 17 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна третьего 13, шестого 16 и седьмого 17 МОП-транзисторов с p-каналом;
– напряжение на шине питания 21 с высоким уровнем напряжения;
– напряжение отпирания МОП-транзисторов с p-каналом.
Ток стока третьего 13 МОП-транзистора с p-каналом разделяется на токи стоков первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов с p-каналом:
, где
– постоянная составляющая тока стока первого 13 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока второго 16 МОП-транзистора с p-каналом.
Ток стока шестого 6 МОП-транзистора с n-каналом разделяется на токи стоков четвёртого 4 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом:
, где
– постоянная составляющая тока стока шестого 6 МОП-транзистора с n-каналом;
– постоянная составляющая тока стока четвёртого 4 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока первого 13 МОП-транзистора с p-каналом.
Переменная составляющая тока стока четвёртого 4 МОП-транзистора с n-каналом определяется переменной составляющей тока стока первого 11 МОП-транзистора с p-каналом:
, где
– переменная составляющая тока стока четвёртого 2 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с n-каналом;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Ток стока седьмого 7 МОП-транзистора с n-каналом разделяется на токи стоков пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом:
, где
– постоянная составляющая тока стока седьмого 7 МОП-транзистора с n-каналом;
– постоянная составляющая тока стока третьего 3 МОП-транзистора с n-каналом;
– постоянная составляющая тока стока второго 12 МОП-транзистора с p-каналом.
Переменная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом определяется переменной составляющей тока стока второго 12 МОП-транзистора с p-каналом:
, где
– переменная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Ток стока шестого 16 МОП-транзистора с p-каналом разделяется на токи стоков четвёртого 14 МОП-транзистора с p-каналом и первого 1 МОП-транзистора с n-каналом:
, где
– постоянная составляющая тока стока шестого 6 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока четвёртого 4 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока первого 1 МОП-транзистора с n-каналом.
Переменная составляющая тока стока четвёртого 14 МОП-транзистора с p-каналом определяется переменной составляющей тока стока первого 1 МОП-транзистора с n-каналом:
, где
– переменная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Ток стока седьмого 17 МОП-транзистора с p-каналом разделяется на токи стоков пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом и второго 2 МОП-транзистора с n-каналом:
, где
– постоянная составляющая тока стока седьмого 7 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая тока стока второго 2 МОП-транзистора с n-каналом.
Переменная составляющая тока стока пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом определяется переменной составляющей тока стока второго 2 МОП-транзистора с n-каналом:
, где
– переменная составляющая тока стока пятого 15 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Токи, проходящие через пятый 5 МОП-транзистор с n-каналом и пятый 15 МОП-транзистор с p-каналом, определяют напряжение на втором выходном узле 19, переменная составляющая данного напряжения имеет вид:
, где
– переменная составляющая напряжения во втором выходном узле 19;
– переменная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом;
– выходное сопротивление в первом выходном узле 18 и втором выходном узле 19;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Токи, проходящие через четвёртый 4 МОП-транзистор с n-каналом и четвёртый 14 МОП-транзистор с p-каналом, определяют напряжение на первом выходном узле 18, переменная составляющая данного напряжения имеет вид:
, где
– переменная составляющая напряжения во первом выходном узле 18;
– переменная составляющая тока стока пятого 5 МОП-транзистора с n-каналом;
– переменная составляющая тока стока пятого 15 МОП-транзистора с p-каналом;
– выходное сопротивление в первом выходном узле 18 и втором выходном узле 19;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– постоянная составляющая напряжения на затворах первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами и первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами.
Напряжение на дифференциальном выходе определяется разностью напряжения на втором выходном узле 19 и напряжения на первом выходном узле 18. Дифференциальное выходное напряжение имеет вид:
, где
– напряжение на дифференциальном выходе;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– напряжение, подаваемое на затворы первого 1 МОП-транзистора с n-каналом и первого 11 МОП-транзистора с p-каналом;
– напряжение, подаваемое на затворы второго 2 МОП-транзистора с n-каналом и второго 12 МОП-транзистора с p-каналом;
– выходное сопротивление в первом выходном узле 18 и втором выходном узле 19;
– входной дифференциальный сигнал.
Коэффициент усиления ОТУ по напряжению определяется как:
, где
– коэффициент усиления ОТУ по напряжению;
– напряжение на дифференциальном выходе;
– входной дифференциальный сигнал;
– крутизна первого 11 и второго 12 МОП-транзисторов p-каналами в составе дифференциальной пары;
– крутизна первого 1 и второго 2 МОП-транзисторов n-каналами в составе дифференциальной пары;
– выходное сопротивление в первом выходном узле 18 и втором выходном узле 19.
В предлагаемой схеме ОТУ с использованием одного уровня напряжения смещения на затворах МОП-транзисторов достигается тот же коэффициент усиления, что и в прототипе, за счёт возможности обеспечения аналогичной крутизны транзисторов входных дифференциальных пар и выходных сопротивлений при заданных  и напряжениях в узлах схемы. Отсутствие дополнительных цепей смещения позволяет сэкономить площадь кристалла для полной схемы ОТУ.
Для подтверждения решения технической проблемы проведено компьютерное моделирование схемы прототипа и предложенной схемы ОТУ в системе автоматизированного проектирования Cadence Virtuoso 6.1.6 для кремниевой технологии UMC 180 нм с напряжением питания 1,8 В и технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм с напряжением питания 5,0 В.
В результате моделирования для кремниевой технологии UMC 180 нм с напряжением питания 1,8 В и сохранением режимов работы МОП-транзисторов для прототипа и предлагаемого технического решения, получены АЧХ и ФЧХ соответственно для прототипа (фиг. 2) и предлагаемого технического решения (фиг. 3). Как видно из представленных графиков, характеристики имеют общеизвестный вид и соответствуют функциональному назначению схем, то есть демонстрируют усиление в рабочей полосе частот. Для близких коэффициентов усиления 57 дБ – прототип и 56 дБ – предлагаемая схема, при емкостной нагрузке 5 пФ по обоим выходным узлам частота единичного усиления прототипа составляет 208 МГц, частота единичного усиления предложенной схемы 204 МГц, запас по фазе прототипа 79 градусов, а предлагаемого технического решения 80 градусов. Потребляемый ток прототипа 0,81 мА, а предложенной схемы 0,84 мА. При полученных схожих характеристиках усилителей для обеспечения работы прототипа необходимо использовать четыре источника с разными значениями напряжения смещения, а для предлагаемого технического решения достаточно одного источника напряжения смещения с напряжением, соответствующим половине разности напряжений шин питания с высоким и низким уровнями напряжения, т. е. 0,9 В.
В результате моделирования для кремниевой технологии «кремний на изоляторе» X-FAB 180 нм с напряжением питания 5,0 В и сохранением режимов работы МОП-транзисторов для прототипа и предлагаемого технического решения, получены АЧХ и ФЧХ соответственно для прототипа (фиг. 4) и предлагаемого технического решения (фиг. 5). Как видно из представленных графиков, характеристики имеют общеизвестный вид и соответствуют функциональному назначению схем, то есть демонстрируют усиление в рабочей полосе частот. Для близких коэффициентов усиления 60 дБ – прототип и 61 дБ – предлагаемая схема, при емкостной нагрузке 5 пФ по обоим выходным узлам частота единичного усиления прототипа составляет 211 МГц, частота единичного усиления предложенной схемы 228 МГц, запас по фазе прототипа 82 градуса, а предлагаемого технического решения 81 градус. Потребляемый ток прототипа 1,11 мА, а предложенной схемы 1,15 мА. При полученных схожих характеристиках усилителей для обеспечения работы прототипа необходимо использовать четыре источника с разными значениями напряжения смещения, а для предлагаемого технического решения достаточно одного источника напряжения смещения с напряжением, соответствующим половине разности напряжений шин питания с высоким и низким уровнями напряжения, т. е. 2,5 В.
Таким образом, созданная схема ОТУ работоспособна при использовании одного уровня напряжения смещения на затворах МОП-транзисторов, для формирования которого требуется только одна дополнительная цепь, что приводит к уменьшению площади, занимаемой полной схемой ОТУ на кристалле.