КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION RATIO

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), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные операционные усилители (ДУ) с резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-9]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств. Причем применение резисторов (или неуправляемых активных нагрузок) в ряде случаев является обязательным техническим решением для таких ДУ [6].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель по патенту RU 2384936, фиг.1.
п
п
у
уmax
п
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [7-9], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤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 выходного «перегнутого» каскода, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном операционном усилителе (ДУ), фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 выходные транзисторы, объединенные базы которых через цепь смещения потенциалов 8 соединены с первым 9 источником питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, связанным с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым 9 источником питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, связанным с эмиттерами третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов и первым 9 источником питания, первый 12 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между коллектором второго 5 выходного транзистора, связанным с выходом устройства и вторым 13 источником питания, связанным также с эмиттерной цепью первого 1 входного дифференциального каскада, второй 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между коллектором четвертого 7 выходного транзистора, источником питания, предусмотрены новые элементы и связи - введен дополнительный транзистор 15, база которого соединена с коллекторами третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, эмиттер подключен к объединенным базам первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, коллектор связан с коллектором второго 5 выходного транзистора, причем коллектор первого 4 выходного транзистора соединен со вторым 13 источником питания, связанным также с эмиттерной цепью первого 1 входного дифференциального каскада.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 представлена схема ДУ-прототипа фиг.1 с традиционной обратной связью в среде компьютерного моделирования PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУ НПП «Пульсар».
у
График фиг.4 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (К) ДУ-прототипа фиг.3.
На чертеже фиг.5 показана схема фиг.2 в среде PSpise на моделях интегральных транзисторов ФГУ НПП «Пульсар», а на чертеже фит.6 - частотная зависимость ее коэффициента усиления по напряжению.
Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4, второй 5, третий 6, четвертый 7 выходные транзисторы, объединенные базы которых через цепь смещения потенциалов 8 соединены с первым 9 источником питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, связанным с эмиттерами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов и первым 9 источником питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, связанным с эмиттерами третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов и первым 9 источником питания, первый 12 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между коллектором второго 5 выходного транзистора, связанным с выходом устройства и вторым 13 источником питания, связанным также с эмиттерной цепью первого 1 входного дифференциального каскада, второй 14 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между коллектором четвертого 7 выходного транзистора, источником питания. В схему введен дополнительный транзистор 15, база которого связана с коллекторами третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, эмиттер подключен к объединенным базам первого 4, второго 5, третьего 6 и четвертого 7 выходных транзисторов, коллектор связан с коллектором второго 5 выходного транзистора, причем коллектор первого 4 выходного транзистора соединен со вторым 13 источником питания, связанным также с эмиттерной цепью первого 1 входного дифференциального каскада.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, цепь смещения потенциалов 8 выполнена в виде последовательно включенных прямосмещенных p-n переходов.
В соответствии с п.3 формулы изобретения, цепь смещения потенциалов 8 может быть также выполнена в виде транзисторного источника опорного напряжения с малым внутренним дифференциальным сопротивлением, например диода Видлара и т.п.
Входной дифференциальный каскад (1) на чертеже фиг.2 содержит входные транзисторы 15, 16 и источник тока 17.
В качестве первого 10 и второго 11 токостабизирующих двухполюсников могут применяться резисторы или классические транзисторные источники тока.
17
0
10
0
эi
кi
Статический режим по току транзисторов ДУ, фиг.2, устанавливается элементами 17, 10, 12 и 14. Если выбрать ток I=2I, a I≈3I, то статические токи эмиттеров (I) и коллекторов (I) транзисторов 4, 5, 6, 7 и токи двухполюсников 12, 14 и цепи смещения потенциалов 8:
0
0
где I - масштабный параметр статического режима, например I=1 мА.
Таким образом, при введении транзистора 15, а также за счет подключения коллектора транзистора 15 к выходу устройства в схеме фиг.2 созданы условия, при которых эмиттерные токи транзисторов 4, 5, 6, 7, 15 одинаковы.
Рассмотрим работу ДУ, фиг.2, на переменном токе.
вх
эi
2
3
кi
Положительное изменение входного напряжения u приводит к изменению эмиттерных токов I транзисторов 15, 16, токов выходов 2 и 3 (i, i) и токов коллекторов (i) транзисторов 4, 5, 6, 7:
эi
0
где r - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора при статическом эмиттерном токе I;
эi
т
0
r=φ/I - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
14
к6
к7
2
Причем суммарное изменение тока во втором 14 двухполюснике коллекторной нагрузки i=i+i≈i.
к7
При этом приращение коллекторного тока транзистора 15, вызванное изменением напряжения u на втором 14 двухполюснике коллекторной нагрузки:
где  - эквивалентное сопротивление в эмиттерной цепи дополнительного транзистора 15.
Таким образом, суммарное приращение тока через первый 12 коллекторный двухполюсник (резистор) и напряжение на нем:
В этой связи коэффициент усиления ДУ, фиг.2:
В ДУ-прототипе:
y
Следовательно, выигрыш по К, который дает предлагаемое техническое решение:
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами сравниваемого компьютерного моделирования, фиг.4, фиг.6, которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление.
Таким образом, в предлагаемом ДУ, фиг.2, при сравнительно низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 12 и 14 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.
Заявляемая схема перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.
Источники информации
1. Патент RU №2384936, фиг.1.
2. Патент US №4.600.893, fig.5.
3. Патент US №4.406.990, fig.3.
4. Патент US №3.579.134.
5. Патент RU №2349024, фиг.1.
6. Патент CR №7.605.658, fig.5.
7. Патент US №6.366.170.
8. Патент US №3.644.838, fig.2.
9. Патент US №4.390.850.