ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR AS TO VOLTAGE

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, СВЧ операционных усилителях, компараторах, буферных усилителях и т.п.).
В современной микроэлектронике широкое распространение получили простейшие двухкаскадные дифференциальные усилители на основе входного параллельно-балансного каскада, с симметричной резистивной нагрузкой и выходных эмиттерных повторителей [1-12]. Благодаря простоте эти ДУ стали основой многих функциональных узлов и IP-модулей устройств связи, автоматики и управления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является дифференциальный усилитель (ДУ) (фиг.1), рассмотренный в патентной заявке США № 2005/0110571, fig.6 и fig.7. Эта же структура присутствует в патентах [1-11]. Однако при реализации ДУ данного класса по внедряемым во многих микроэлектронных фирмах новым SiGe-техпроцессам (например, SOB25VD) их коэффициент усиления по напряжению получается небольшим. Действительно, при низковольтном питании  из-за физических ограничений в транзисторах коэффициент усиления классической схемы ДУ (фиг.1) для несимметричного выхода «Вых.1.» определяется по формуле
где  - напряжение питания коллекторной цепи ДУ;
Т
φ=26 мВ - температурный потенциал.
y.max
При  из (1) получаем, что К≤46. B большинстве случаев этого недостаточно.
у
Таким образом, существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при малых напряжениях питания его коэффициент усиления по напряжению K получается небольшим.
у
см
см
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении более высокого K при использовании в качестве двухполюсников нагрузки низкоомных резисторов, а также сохранении важнейших характеристик ДУ-прототипа, связанных с симметричным выполнением выходных транзисторов (смещение нуля U, температурный дрейф U и т.п.).
Поставленная задача достигается тем, что в ДУ (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников и соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго 7 выходного транзистора, а вторым выводом - с шиной первого 9 источника питания, второй 10 источник питания, связанный с коллектором второго 7 выходного транзистора, причем вторые выводы первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников соединены с коллектором первого 6 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы связи - эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 7 выходного транзистора, а коллектор первого 6 выходного транзистора связан с шиной второго 10 источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник.
На чертеже фиг.1. представлена схема ДУ-прототипа.
На чертеже фиг.2 показана схема заявляемого ДУ в соответствии с формулой изобретения,
На чертеже фиг.3 показана схема фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP для случая, когда в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 используются резисторы.
На чертеже фиг.4 представлена зависимость коэффициентов усиления ДУ без обратной связи (верхний график) и ДУ со 100% обратной связью (нижний график) от частоты. Графики фиг.4 показывают, что заявляемый ДУ имеет верхнюю граничную частоту по уровню - 3 дБ более 1 ГТЦ при коэффициенте усиления около 50 дБ. В схеме с обратной связью заявляемое устройство обеспечивает высококачественное повторение СВЧ сигналов.
На чертеже фиг. 5 показана схема 2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP для случая, когда в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 используются p-n переходы.
На чертеже фиг. 6 представлена зависимость коэффициентов усиления ДУ фиг. 5 без обратной связи (верхний график) и ДУ со 100% обратной связью (нижний график) от частоты. Графики фиг. 6 показывают, что при использовании в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 p-n переходов диапазон рабочих частот заявляемого ДУ со 100% обратной связью достигает 10 ГГц.
На чертеже фиг.7 приведен график выходного напряжения ДУ фиг.5 со 100% обратной связью и частотой входного сигнала 10 МГц.
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первыми выводами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников и базами соответствующих первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, связанный первым выводом с выходом устройства и эмиттером второго 7 выходного транзистора, а вторым выводом - с шиной первого 9 источника питания, второй 10 источник питания, связанный с коллектором второго 7 выходного транзистора, причем вторые выводы первого 4 и второго 5 вспомогательных двухполюсников соединены с коллектором первого 6 выходного транзистора. Эмиттер первого 6 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 7 выходного транзистора, а коллектор первого 6 выходного транзистора связан с шиной второго 10 источника питания через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 12 и 13 и двухполюснике 14.
вх
вx
Рассмотрим далее работу схемы фиг. 2 при подаче на левый вход (Вх.1) положительной полуволны входного сигнала u. Изменение u приводит к увеличению эмиттерного тока транзистора 12 и уменьшению эмиттерного тока транзистора 13:
эi
где r - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 12 и 13.
3
Как следствие, уменьшается напряжение u на вспомогательном двухполюснике 5, которое через эмиттерный повторитель на втором выходном транзисторе 7 с единичным коэффициентом передается на выход устройства и эмиттер транзистора 6.
вых
Напряжение u несколько подзапирает транзистор 6, что приводит к увеличению напряжения на втором токостабилизирующем двухполюснике 11.
вых
3
2
у
см
В связи с тем, что в схеме фиг. 2 u≈u≈u, эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 3 существенно повышаются. Это позволяет увеличить К схемы фиг. 2 более чем на порядок (до 50 дБ) при сохранении за счет симметрии на постоянном токе высокой стабильности нуля (U=20÷100 мкВ). В рамках техпроцесса SGB25VD в качестве второго токостабилизирующего двухполюсника могут использоваться полевые транзисторы или резисторы.
Данные теоретические выводы соответствуют результатам компьютерного моделирования схем фиг.3, фиг.5, представленным графиками фиг.4, фиг.6.
у.max
Следует также заметить, что при использовании в качестве вспомогательных двухполюсников 4 и 5 p-n переходов с малыми дифференциальными сопротивлениями (25÷50 Ом) коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг. 5 получается достаточно высоким (К>40 дБ, фиг.6). Схема фиг.5 обеспечивает качественное усиление синусоидальных сигналов (фиг.7).
у
Таким образом, заявляемое устройство выполняет функции дифференциального усилителя с одним выходом при высокой стабильности нуля (при К>50 дБ).
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патентная заявка США № 2009/108882, fig.3.
2. Патентная заявка США № 2005/0088232, fig.1.
3. Патент Франции № 2409640, fig.1.
4. Патентная США № 2009/0221259, fig.13.
5. Патентная заявка США № 2005/020041.4.
6. Патент США № 4.680.553, fig.13.
7. Патентная заявка США № 2004/0046592, fig.2.
8. Патент США № 4.276.485, fig.1.
9. Патент JP № 54079553, fig.1.
10. Патент GB № 2008883, fig.1.
11. Патент США № 6.462.6.18.
12. Патентная заявка США № 2005/0110571, fig.6, fig.7.