ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH CONTROLLED AMPLIFICATION FACTOR

у
Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве широкополосного усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления (u). Такие устройства применяются в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, системах автоматической регулировки усиления, аналоговых перемножителях сигналов и т.д.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе систем электронной регулировки усиления широкое применение находит дифференциальный усилитель с управляемым статическим режимом. Данная структура стала основой для построения многих известных в настоящее время управляемых усилителей и аналоговых перемножителей сигналов на базе дифференциальных каскадов [1-17].
Ближайшим прототипом является дифференциальный усилитель (фиг.1), описанный в патентной заявке США №2007/0090876, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными эмиттерами, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов и выходом 5 управляемого источника тока 6, а базы соединены со вторым 7 входом дифференциального усилителя, цепь нагрузки 8, связанную с коллекторами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов.
у
Особенность схемы известного дифференциального усилителя фиг.1 состоит в том, что уровень его выходного статического напряжения зависит от уровня сигнала управления u, что ограничивает его применение в схемах с непосредственной связью каскадов.
В цифровых интегральных микросхемах результатом увеличения скорости обработки информации стали тенденции постоянного уменьшения напряжения питания, что является «анафемой» в аналоговом проектировании с высокими характеристиками. При технологических нормах 350 нм (3.3 В) по прежнему достаточно схемотехнических возможностей для аналоговых проектирований с высокими характеристиками, хотя наличие ±5 В питания было бы предпочтительнее. При нормах 180 нм (1.8 В) процесс усложняется и статические характеристики аналоговых устройств страдают. В этой связи необходимо развитие новых подходов к проектированию микросхем, ориентированных на снижение мощности, улучшение производительности при низковольтном питании.
кэ.max
В рамках собственных программ развития ряд ведущих микроэлектронных фирм, в т.ч. российских, начинают использовать технологическое оборудование для 0,25 мкм SiGe-технологии, способное в рамках единого цикла изготовить высококачественные гетеропереходы. Это позволяет реализовать субмикронные транзисторы X диапазона, а также использовать экономичные режимы для СВЧ интегральных схем относительно высокого уровня интеграции. Однако SiGe-технология накладывает дополнительные и существенные для схемотехники аналоговых микросхем ограничения, выражающиеся в невозможности использования комплементарных транзисторов и относительно низковольтных режимов их работы (U=1÷2,9 B). Создание схемотехники IP блоков для SiGe-технологии является (наряду с ее освоением) важнейшей задачей для зарубежных и отечественных центров проектирования аналоговых микросхем.
1
пр
1
пр
Последние несколько лет источники питания с напряжением 5 В вытесняются более низковольтными. Требования к уменьшению рассеиваемой мощности и уменьшению числа батарей в таких приложениях, как беспроводные устройства связи и персональные компьютеры, привели к снижению напряжения питания в цифровых схемах до уровня 1,5 В. Эта тенденция, как отмечалось выше, реализована в современных SiGe транзисторах, которые сконструированы так, чтобы обеспечить максимальную частоту среза (f) в компромиссе с напряжением пробоя (U). Для кремниевых транзисторов существует следующее фундаментальное ограничение: f×U≈const.
1
Таким образом, малые размеры транзисторов, обеспечивающие высокие значения f (до 200 ГГц), привели к снижению напряжения питания микросхем до 1,2÷1,5 В.
п
п
бэ
Уменьшение напряжения питания (Е) в биполярных схемах приводит к появлению новых проблем и некоторые из них становятся трудно решаемыми при напряжении питания менее 2 В. Принципиальная сложность уменьшения напряжения Е состоит в том, что биполярный транзистор имеет фиксированное напряжение база-эмиттер U, которое не уменьшается линейно с уменьшением технологических норм, так как
т
к
s
бэ
к
s
бэ
бэ
п
где φ=KT/q, I - ток коллектора, и I - обратный ток эмиттерного р-n перехода. При этом параметры транзистора и уровни тока оказывают слабое влияние на напряжение U. На практике плотность тока в биполярном транзисторе (I/I), изменяя свое значение, также слабо влияет на напряжение U. Если в используемой технологии U=0,7÷0,8 В, то использование 1,5 В источника питания приводит к тому, что между «землей» и шиной Е не может быть включено больше, чем один переход база-эмиттер.
бэ
Учитывая вышесказанное, а также численные значения напряжения U≈700 мВ, можно сделать вывод о том, что запрещается использовать многоярусные дифференциальные пары или каскадные конфигурации (архитектуры) при напряжении питания 1,5 В. Этому условию прототип не удовлетворяет.
Таким образом, отсутствие возможности масштабирования напряжения на переходе база-эмиттер еще больше обостряет проблему дальнейшего масштабирования напряжения питания схем на биполярных транзисторах.
П
Существенный недостаток известного устройства фиг.1 состоит в том, что оно оказывается работоспособным только при сравнительно больших уровнях напряжения питания (±Е>2,2÷2,4 В). Это связано с особенностями архитектуры известного ДУ, которая имеет «двухъярусную» структуру. Схема фиг.1 оказывается не работоспособной при напряжениях , меньших 1,5 В, так как здесь должно быть
0
0
где U - минимальное напряжение на источнике тока I, входящего в структуру управляемого источника тока 6;
эб
U≈0,7 В - напряжение эмиттер-база транзистора 2, а также транзистора, входящего в структуру управляемого источника тока 6.
0
0
у
При типовом построении двухполюсника I численные значения U≈0,7 В. Таким образом, в известном ДУ . Кроме этого, в известном ДУ достаточно трудно обеспечить высокую линейность характеристики управления в широком диапазоне изменения u.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении напряжения питания дифференциального усилителя с управляемым коэффициентом усиления до уровня 1,5 В.
Дополнительная цель - повышение линейности характеристики управления ДУ без потери его базового свойства - способности работать при .
Поставленная цель достигается тем, что в ДУ, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными эмиттерами, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов и выходом 5 управляемого источника тока 6, а базы соединены со вторым 7 входом дифференциального усилителя, цепь нагрузки 8, связанную с коллекторами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный двухполюсник 11, соединенный со входом 12 дополнительного усилителя тока 13 и коллекторами второго 2 и третьего 4 входных транзисторов, причем выход 14 дополнительного усилителя тока 13 подключен ко входу 15 управляемого источника тока 6, а основной выход 16 дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 17 связан со входом 12 дополнительного усилителя тока 13.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа, а на фиг.2 - схема заявляемого ДУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3-4 представлены частные варианты построения преобразователя «напряжение-ток» 17.
Варианты построения дополнительного усилителя тока 13 показаны на фиг.5-6.
На фиг.7 приведена схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
25
На фиг.8 представлен заявляемый ДУ, в котором преобразователь «напряжение-ток» 17 выполнен в соответствии с фиг.4 при сопротивлении резистора R=0, а дополнительный усилитель тока реализован в соответствии с фиг.5.
25
На фиг.9 представлен заявляемый ДУ, в котором преобразователь «напряжение-ток» 17 выполнен в соответствии с фиг.4 при сопротивлении резистора R=0, а дополнительный усилитель тока реализован в соответствии с фиг.6.
На фиг.10 показан пример построения аналогового перемножителя сигналов на базе заявляемого ДУ. Этот перемножитель содержит два идентичных ДУ фиг.2, который противофазно управляется преобразователем «напряжение-ток» 17.
На фиг.11 представлена схема ДУ фиг.9 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар». Результаты ее компьютерного моделирования показаны на фиг.12-14:
вых
x
v1
- зависимость выходного напряжения U от напряжения U=U при различных напряжениях управления (фиг.12);
у
- зависимость коэффициента усиления по напряжению К от частоты при разных напряжениях управления (фиг.13);
у
y
yпp.
- зависимость коэффициента усиления по напряжению К от напряжения управления U=U.
Заявляемый дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы с объединенными эмиттерами, базы которых соединены с первым 3 входом дифференциального усилителя, третий 4 и четвертый 5 входные транзисторы, эмиттеры которых соединены с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов и выходом 5 управляемого источника тока 6, а базы соединены со вторым 7 входом дифференциального усилителя, цепь нагрузки 8, связанную с коллекторами первого 1 и четвертого 5 входных транзисторов. В схему введен дополнительный двухполюсник 11, соединенный со входом 12 дополнительного усилителя тока 13 и коллекторами второго 2 и третьего 4 входных транзисторов, причем выход 14 дополнительного усилителя тока 13 подключен ко входу 15 управляемого источника тока 6, а основной выход 16 дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 17 связан со входом 12 дополнительного усилителя тока 13.
В первом частном случае (фиг.3) преобразователь «напряжение-ток» 17 реализован на транзисторе 19 и двухполюсниках 20, 21, 22.
Во втором частном случае (фиг.4) преобразователь «напряжение-ток» 17 выполнен на транзисторах 23-24 и двухполюсниках 25-27. Представленный на фиг.5 вариант построения дополнительного усилителя тока 13 содержит транзистор 28, цепь согласования потенциалов 29 и двухполюсник 30. Другой вариант построения усилителя тока 13 (фиг.6) включает транзистор 31 и двухполюсник 32.
В схеме фиг.7, в соответствии с п.2 формулы изобретения, дополнительный преобразователь «напряжение-ток» 17 имеет основной выход 16, а также первый 33 и второй 34 вспомогательные выходы, причем первый 33 вспомогательный выход соединен с коллектором первого входного транзистора 1, а второй 34 вспомогательный выход подключен к коллектору четвертого 5 входного транзистора, причем коэффициент передачи по току преобразователя «напряжение-ток» 17 к основному выходу 16 в два раза больше коэффициента передачи по току к вспомогательным выходам 33 и 34.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
у
н
В статическом режиме, когда u=0, i=0, сумма токов в узле «А» равняется нулю. Это обеспечивается отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которая вводится через дополнительный усилитель 13, на вход 15 управляемого источника опорного тока 6:
11
где I - ток дополнительного двухполюсника 11;
к2
к4
I, I - коллекторные токи транзисторов 2 и 4;
п
I - выходной статический ток дополнительного преобразователя «напряжение-ток» 17;
12
I - входной ток дополнительного усилителя тока 13.
п
12
В частном случае может быть I=0, I=0.
При этом дифференциальный коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 определяется отношением:
н.экв
где R - эквивалентное сопротивление, зависящее от сопротивлений нагрузки 9 и 10;
05
I - статический ток, протекающий в общей эмиттерной цепи 5;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
у
При изменении напряжения u на выходе 16 преобразователя 17 его выходной ток получает следующее приращение
17
где S - крутизна преобразования  в выходной ток .
05
5
у
В результате в узле «А» в первый момент нарушается баланс токов (1). Однако, благодаря отрицательной обратной связи этот баланс снова устанавливается за счет изменения суммарного тока I в общей эмиттерной цепи 5. Так, если направления токов соответствуют фиг.2, то это приводит (для обеспечения баланса токов в узле «А») к увеличению тока i общей эмиттерной цепи 5 на величину . В результате суммарный ток ДУ по эмиттерной цепи 5 увеличивается, что, в соответствии с (2), дает увеличение К (2).
05
у
Если направления токов  изменяются на противоположные, то ток I уменьшается, что приводит к уменьшению К (2).
Следует заметить, что благодаря новой архитектуре в ДУ фиг.2 статический потенциал точки подключения «А» преобразователя 17 оказывается выше потенциала общей 5 эмиттерной цепи ДУ. Это позволяет обеспечить работу ДУ при малых , избежать двухъярусного включения транзисторов.
В частном случае (фиг.7) возможно формирование трех синфазных токов , пропорциональных , что на практике (фиг.8) обеспечивается дифференциальным каскадом на транзисторах 23 и 24.
Другие варианты построения дополнительного усилителя 13 (фиг.6-8) практически не изменяют алгоритмы работы заявляемого ДУ, хотя и оказывают существенное влияние на параметры схемы.
Следует обратить внимание на следующие достоинства частных вариантов ДУ, показанных на фиг.8-9.
Схема фиг.8 реализована на однотипных биполярных транзисторах, что позволяет использовать для ее изготовления наиболее дешевый техпроцесс SGB25VD.
у
ДУ фиг.9 работоспособен при напряжениях питания ±1,5 В. Входное их и управляющее u напряжения привязаны к общей шине питания, что также является существенным достоинством схемы.
Схема фиг.9, а также схема перемножителя на основе заявляемого ДУ фиг.10 реализуется по техпроцессу SGB25H2, а также техпроцессу SGB25VD при использовании полевых транзисторов в дополнительном усилителе 13.
Результаты компьютерного моделирования (фиг.12-14) показывают, что предлагаемый ДУ характеризуется более широким набором свойств и функций и может использоваться в различных устройствах РЭА с перестраиваемыми характеристиками.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4286226, фиг.5.
2. Патент США №6211718, фиг.3.
3. Патент AU №198065562 A1, H03F 3/45.
4. Патентная заявка США №2006/0232334, фиг.3.
5. Патент США №6229395, фиг.1.
6. Патент США №4306198, фиг.3
7. Патентная заявка США №2006/0132237, фиг.2.
8. Патент WO 2003/028210.
9. Патентная заявка США №2008/0136523, фиг.3.
10. Патент США №4331929.
11. Патент США №4227256.
12. Патент США №5256984.
13. Патент США №6753732.
14. Патентная заявка США №2005/0052239.
15. Патентная заявка США №2007/0090876.
16. Патент США №6374736 фиг.1.
17. Патент ЕР №1231709.