ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ ВХОДНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED INPUT IMPEDANCE

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (операционных усилителях, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).
Известны широкополосные дифференциальные усилители (ДУ) на основе параллельно-балансных каскадов, которые стали основой построения современных аналоговых микросхем [1, 2]. Проблема улучшения их параметров - входного сопротивления, частотных свойств - относится к числу основных проблем современной аналоговой микросхемотехники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5.424.681, fig. 8, содержащий входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы - подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам.
вх
вх
э
у
вх
э
у
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет небольшие значения входного сопротивления (R) для переменного тока, зависящие от статического тока эмиттера Iэ и коэффициента усиления по току базы (β) входных транзисторов. Для повышения R приходится уменьшать I - переводить транзисторы в микрорежим, что уменьшает коэффициент усиления ДУ по напряжению (K). Второй способ повышения R - введение резисторов R в эмиттерной цепи входных транзисторов, которые также уменьшают K.
Основная цель предполагаемого изобретения состоит в увеличении входного сопротивления дифференциального усилителя в широком диапазоне частот без ухудшения его коэффициента усиления по напряжению.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам, предусмотрены новые связи - эмиттер первого 6 выходного транзистора связан со вторым 9 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На фиг.1 приведена схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показаны переменные токи в схеме фиг.2 для положительной полуволны входного напряжения.
На фиг.4 показана схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 показаны графики зависимости входного сопротивления ДУ-прототипа (фиг.4) и новой схемы (фиг.5) от частоты.
Предлагаемый дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам. Эмиттер первого 6 выходного транзистора связан со вторым 9 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На фиг.2 коллекторы транзисторов 6 и 7 являются токовыми выходами заявляемого устройства 12 и 13, к которым могут быть подключены нагрузки 17 и 18 (фиг.3), а входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 14 и 15 и источнике тока 16.
Рассмотрим работу схемы фиг.3.
вх
б14
При подаче на вход 4 переменного напряжения u в цепи входа 2 входного параллельно-балансного каскада 1 появляется приращение тока i:
э14
где i - приращение тока эмиттера транзистора 14 входного дифференциального каскада 1;
14
β - коэффициент усиления по току базы транзистора 14 входного дифференциального каскада 1.
Причем
где
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал;
16
I - суммарный ток общей эмиттерной цепи транзисторов 14 и 15.
Таким образом
16
0
э14
Так как в эмиттерную цепь каскада 1 включен источник не изменяющегося под действием сигнала тока I=I=const, то ток эмиттера и, следовательно, ток коллектора транзистора 15 будут связаны с током i следующими соотношениями:
15
где α≈0,98-0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 15 входного дифференциального каскада 1.
к15
При этом токи в выходных узлах 8 и 9 будут иметь равную величину, но противоположные направления, а все приращение тока i передается в эмиттер транзистора 6:
Поэтому ток базы транзистора 6
б14
б6
Как следствие, во входном узле 4 произойдет вычитание двух близких по величине, но противоположных по направлению переменных токов i и i:
15
14
6
вх.4
Учитывая, что α≈0,98÷0,99≈1, а транзисторы в заявляемой схеме имеют близкие по величине коэффициенты усиления по току базы β≈β из (7) получаем, что суммарный входной ток i и, следовательно, входная проводимость заявляемого устройства могут быть близки к нулю
где
Это является существенным преимуществом усилителя фиг.3.
С другой стороны, входная проводимость усилителя-прототипа фиг.1
вх
Поэтому заявляемый усилитель имеет по сравнению с прототипом в N раз большее входное сопротивление, где
вх
вх
у
вых
вх
Можно показать, что повышение R в N раз в заявляемом устройстве обеспечивается без снижения коэффициента усиления по напряжению K=u/u.
Действительно, в схеме фиг.3, так же как и в ДУ-прототипе фиг.1, для дифференциального выхода
н.экв
17
18
где R≈R+R - эквивалентное сопротивление нагрузки.
Поэтому с учетом (2) можно для сравниваемых схем фиг.1 и фиг.3 найти произведение Q
у
вх
вх
вх
Следовательно, обобщенный показатель качества в ДУ фиг.3 Q=KR в N раз больше, чем в ДУ-прототипе, где N>>1.
Полученные выше аналитические оценки подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6) схем фиг.4 и фиг.5 - заявляемый ДУ имеет в 21 раз большее значение входного сопротивления.
Источники информации
1. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры / А.Г.Алексеенко. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1977. - 408 с.
2. Проектирование и применение операционных усилителей / Под ред. Дж.Грэма, Дж.Тоби, Л.Хьюлсмана // Пер. с англ. В.И.Левина и И.М.Хейфеца под. ред. к.т.н. И.Н.Теплюка. - М.: Изд-во Мир, 1974.
3. Патент США №5.424.681, fig.8.