ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR

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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).
у
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Для повышения коэффициентов усиления по напряжению (К) таких ДУ применяются схемы со «следящим» питанием токового зеркала [1-9], которое обеспечивается за счет вспомогательного повторителя напряжения, передающего выходной сигнал токового зеркала в цепь его эмиттерного выхода. Такие схемотехнические решения стали основой многих аналоговых микросхем как отечественного (5005УД1, НПП «Ангстрем» [8]), так и зарубежного производства (AD797, Analog Devices [9]).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в журнале «Радио» (№12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD797)). Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5.
у
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации его цепи нагрузки 6 в виде низкоомного резистора (50-100 Ом) и классическом построении первого 4 буферного усилителя на основе эмиттерного повторителя его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим.
6
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании в качестве цепи нагрузки сравнительно низкоомного двухполюсника (например, R=50÷100 Ом).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема, соответствующая п.3 формулы изобретения.
4
4
5
6
у
На фиг.4-фиг.5 показаны схема ДУ-прототипа с R=∞ (фиг.4) и схема заявляемого ДУ с R=R=50 Ом (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что при низкоомном двухполюснике нагрузки 6 (R=50 Ом в схеме фиг.5) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается на 26 дБ в сравнении с К известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологических процессов SGB25H2 с малыми напряжениями питания транзисторов.
6
10
На фиг.7 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции при R=50 Ом, R=47 Ом).
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5. В схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 выполнен на основе транзисторов 11, 12 и двухполюсника 13, токовое зеркало 5 включает элементы 14 и 15, а буферный усилитель 5 - двухполюсник 16 и транзистор 17.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, параметры первого 4 и второго 9 буферных усилителей, а также параметры первой 6 и второй 10 цепей нагрузки удовлетворяют условию
6
i4
10
il0
RK≈RK,
i.4
i.9
где K, K - коэффициенты усиления по току первого 4 и второго 9 буферных усилителей;
6
10
R, R - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введен второй 18 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, причем параметры второго 18 вспомогательного повторителя напряжения удовлетворяют следующему условию
20
il8
19
i7
RK≈RK,
i.7
i.18
где K, K - коэффициенты усиления по току первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения;
19
20
R, R - эквивалентные сопротивления нагрузки 19 и 20 в цепях выходов первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения.
i4
i9
i4
i9
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2 при низкоомной нагрузке 6 и K≠∞, K≠∞ (например, K=K=50).
кi
В статическом режиме коллекторные токи (I) транзисторов 11 и 12 устанавливаются двухполюсником 13:
0
13
где I=I/2.
0
Через эмиттерный выход 8 токового зеркала 5 при введении общей отрицательной обратной связи протекает статический ток, равный 2I.
см
Для минимизации напряжения смещения нуля ДУ фиг.2 (U) авторы рекомендуют выбирать статический ток двухполюсника 16 на уровне
В качестве буферных усилителей 4 и 6 при работе в ВЧ и СВЧ диапазонах следует использовать классические эмиттерные повторители на одиночных n-p-n транзисторах или так называемые «бриллиантовые» транзисторы.
Первая 6 и вторая 10 цепи нагрузки могут иметь непосредственную или емкостную связь с буферными усилителями 4 и 9.
При реализации ДУ фиг.2 (фиг.3) по SiGe технологии SGB25VD, внедряемой российскими предприятиями, токовое зеркало 5 и повторитель напряжения 7 могут быть реализованы на КМОП транзисторах.
(+)
вх
3
6
3
3
Если на вход Вх.1 подается напряжение u, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 11 и уменьшение коллекторного тока транзистора 12. Как следствие, увеличивается напряжение на токовом выходе 3 (u>0) и напряжение в нагрузке 6 (u≈u). При этом за счет передачи напряжения u в узел 8 и далее на первый 2 токовый выход обеспечивается равенство
2
3
Как следствие, в цепи токовых выходов 2 и 3 возникают токи i и i:
2
i9
10
где r≈KR - эквивалентное сопротивление в узле 2;
3
i4
6
r≈KR - эквивалентное сопротивление в узле 3;
i9
i4
i9
i4
K, K - коэффициенты усиления по току буферных усилителей 9 и 4 (K=20÷80, K=20÷80);
6
10
R, R - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.
2
пт5
2
3
Приращение тока i поступает на выход токового зеркала 5. Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов i=i и i. Поэтому разный ток в этом узле:
пт5
где i - выходной ток токового зеркала 5.
3
2
Если выбрать r=r, то в этом случае эффективное сопротивление в цепи второго 3 токового выхода существенно возрастает
Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 увеличивается
где  - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12;
т
φ=26 мВ - температурный потенциал.
В ДУ-прототипе (фиг.1) эквивалентное сопротивление в узле 3
Таким образом, выигрыш по коэффициенту усиления, который дает в сравнении с прототипом схема фиг.2:
i4
6
i9
10
у
Если выбрать KR=KR, то N>>1.
Дальнейшим развитием схемы фиг.2 является схема фиг.3, в которой обеспечивается взаимная компенсация не только сопротивлений цепей нагрузки 10 и 6, но и эквивалентных сопротивлений 19 и 20, которые нагружают выходы эмиттерных повторителей 7 и 18. Такая ситуация возникает в ряде частных случаев применения заявляемого ДУ (например, по аналогии с [1, 2, 6]). Для данного варианта ДУ необходимо одновременно обеспечить равенства
*
*
2
3
у
В этом случае эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 3 будут одинаковы (r =r ), что является одним из условий повышения К.
10
6
у
у
6
Представленные на чертеже фиг.6 графики подтверждают данные теоретические выводы. Моделирование схем фиг.1 и фиг.2 показывает, что при выборе R несколько меньше, чем R, выигрыш по К увеличивается на 35÷50 дБ. Причем К достигает величины 75÷90 дБ при R=50 Ом (фиг.7).
у
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления по напряжению (К) в сравнении с известным ДУ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.857.862, fig.1.
2. Патент США №4.595.883, fig.7.
3. Патентная заявка США №2005/00358216, fig.4.
4. Патент США №2006/0044068, fig.1а.
5. А.св. СССР №987605.
6. Патент США №6.822.512.
7. Патент США №4.524.330.
8. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.304. Операционный усилитель 5005УД1 («Ангстрем»).
9. Орлов, А. УМЗЧ с однокаскадным усилением напряжения [Текст] / А.Орлов // Журнал «Радио», №12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD 797).