ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL OPERATIONAL AMPLIFIER WITH PARAPHASE OUTPUT

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, мостовых усилителях мощности, фильтрах, компараторах и т.п.).
Известны схемы классических двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) на основе токовых зеркал с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11]. ДУ данного класса активно применяются и в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RС-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем телекоммуникаций, драйверов дифференциальных линий связи между СФ-блоками A/d или a/D классов и т.н.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патентной заявке US 2006/0006910, содержащий входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами и низкоомным выходом 4 общей эмиттерной цепи, связанным с шиной первого 5 источника питания через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, первое 7 токовое зеркало, вход которого подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с первым 8 вспомогательным выходом устройства и через первый 9 токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого 5 источника питания, второе 10 токовое зеркало, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход соединен со вторым 11 вспомогательным выходом устройства и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого 5 источника питания, причем шина второго 13 источника питания связана с общими эмиттерными выходами первого 7 и второго 10 токовых зеркал.
н
н
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что при низкоомной нагрузке (например, R=4 Ом), подключенной к выходам 8 и 12, а также реализации опции rail-to-rail, он имеет нестабильный уровень выходного синфазного напряжения, зависящий от R и параметров токостабилизирующих двухполюсников 9, 12, 6. Это значительно затрудняет его согласование с последующими функциональными узлами, не позволяет реализовывать на его основе мостовые усилители мощности ВЧ и СВЧ диапазона.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и близкое к нулю значение при низкоомных нагрузках (1÷4 Ом). В этом случае реализуется также более широкий диапазон изменения выходного сигнала ДУ.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами и низкоомным выходом (4) общей эмиттерной цепи, связанным с шиной первого (5) источника питания через первый (6) токостабилизирующий двухполюсник, первое (7) токовое зеркало, вход которого подключен к первому (2) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), а выход соединен с первым (8) вспомогательным выходом устройства и через первый (9) токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого (5) источника питания, второе (10) токовое зеркало, вход которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а выход соединен со вторым (11) вспомогательным выходом устройства и через второй (12) токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого (5) источника питания, причем шина второго (13) источника питания связана с общими эмиттерными выходами первого (7) и второго (10) токовых зеркал, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный транзистор (14), эмиттер которого соединен с низкоомным выходом (4) общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада (1), а коллектор подключен к шине второго (13) источника питания, причем первый (8) вспомогательный выход устройства связан с базой дополнительного транзистора (14) через последовательно соединенные первый (19) дополнительный буферный усилитель и первый (15) резистор обратной связи, а второй (11) вспомогательный выход устройства связан с базой дополнительного транзистора (14) через последовательно соединенные второй (20) дополнительный буферный усилитель и второй (16) резистор обратной связи.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
На чертеже фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого ДУ с архитектурой фиг.3, в котором дополнительные буферные усилители 19 и 20 выполнены в частном случае на основе транзистора 21 и двухполюсника 22, а также транзистора 23 и двухполюсника 24.
На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого ДУ фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на чертеже фиг.5 - зависимость его коэффициента усиления по напряжению от частоты.
вх
На чертеже фиг.6 представлена зависимость выходных напряжений для парафазных и дифференциальных выходов ДУ фиг.4 от входного синусоидального напряжения с амплитудой u=1 мВ. Графики фиг.6 показывают, что заявляемый ДУ имеет два противофазных выходных напряжения и нулевой уровень выходного синфазного статического напряжения.
На чертеже фиг.7 приведена схема включения предлагаемого ДУ в структуре драйвера дифференциальной линии связи.
По чертеже фиг.8 приведена конкретная схема драйвера фиг.7 на основе ДУ фиг.4 в среде Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.9 - частотная зависимость ее дифференциального коэффициента усиления.
Дифференциальный операционный усилитель с парафазмым выходом фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами и низкоомным выходом 4 общей эмиттерной цепи, связанным с шиной первого 5 источника питания через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник, первое 7 токовое зеркало, вход которого подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с первым 8 вспомогательным выходом устройства и через первый 9 токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого 5 источника питания, второе 10 токовое зеркало, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход соединен со вторым 11 вспомогательным выходом устройства и через второй 12 токостабилизирующий двухполюсник нагрузки соединен с шиной первого 5 источника питания, причем шина второго 13 источника питания связана с общими эмиттерными выходами первого 7 и второго 10 токовых зеркал. В схему введен дополнительный транзистор (14), эмиттер которого соединен с низкоомным выходом (4) общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада (1), а коллектор подключен к шине второго (13) источника питания, причем первый (8) вспомогательный выход устройства связан с базой дополнительного транзистора (14) через последовательно соединенные первый (19) дополнительный буферный усилитель и первый (15) резистор обратной связи, а второй (11) вспомогательный выход устройства связан с базой дополнительного транзистора (14) через последовательно соединенные второй (20) дополнительный буферный усилитель и второй (16) резистор обратной связи.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого ДУ с архитектурой фиг.2, в котором дополнительные буферные усилители 19 и 20 выполнены в частном случае на основе транзистора 21 и двухполюсника 22, а также транзистора 23 и двухполюсника 24.
В качестве первого 6 токостабилизирующего двухполюсника авторы рекомендуют использовать классические источники опорного тока на транзисторах или сравнительно высокоомные резисторы.
Первый 9 и второй 12 токостабилизирующие двухполюсники нагрузки реализуются в виде источников опорного тока на транзисторах.
Токовые зеркала 7 и 10 выполняются по классическим схемам.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
Статический режим по току транзисторов 14, 17 и 18 предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 6, 9 и 12. Причем коллекторные и эмиттерные токи транзисторов 17, 18 и 14 определяются по формулам:
0
где I - заданное значение статического тока, например 1 мА.
8
11
вх
Статическое напряжение U* на выходе Вых.*1 и U* на Вых.*2 ДУ при нулевом входном сигнале (u=0) можно найти из уравнения:
эб.17
эб.18
эб.14
эi
0
где U=U=U - напряжение «эмиттер-база» входных транзисторов 17 и 18 и дополнительного транзистора 14 при токе эмиттера I=I;
б
I - составляющая тока базы транзистора 14 в резисторе обратной связи 15 (16).
н
н
15
16
Таким образом, во-первых, при низкоомных нагрузках R, подключаемых к выходам Вых*.1 и Вых*.2 (R=1÷4 Ом), и типовых значениях тока базы транзистора 14, а также при R=R=50÷100 Ом выходное синфазное напряжение ДУ фиг.2 практически равно нулю в широком диапазоне температурных и радиационных воздействий, а также изменений напряжений питания.
н
13
5
н
Во-вторых, рассматриваемый ДУ обеспечивает предельно возможные (при низкоомных нагрузках R=1÷4 Ом, подключаемых к выходам Вых*.1 и Вых*.2) противофазные напряжения на выходах, близкие к соответствующим напряжениям питания Е и Е. При этом численные значения R в заявляемой схеме достаточно слабо влияют на нулевой уровень выходного синфазного сигнала ДУ. Данный эффект в ДУ-прототипе не реализуется.
При синфазном изменении напряжений на входах Вх.1 и Вх.2 изменяются синфазно и напряжения на выходах Вых*.1 и Вых.*2. Однако при этом эмиттерный (коллекторный) ток транзистора 14 остается постоянным:
Поэтому коэффициент ослабления входных синфазных напряжений в заявляемом ДУ достаточно высок, так как режим по току транзисторов 17 и 18 не изменяется.
н
5
13
Таким образом, наличие дополнительных буферных усилителей 19 и 20 значительно снижает требования к величине сопротивлений резисторов обратной связи 15 и 16, что позволяет получить на выходах Вых.*1 и Вых.*2 нулевые уровни статических напряжений  независимо от статических параметров этих дополнительных буферных усилителей 19 и 20 и сопротивлений низкоомной нагрузки. В схеме фиг.2 в низкоомной нагрузке R, включенной между выходами Вых.*1 и Вых.*2, могут быть получены значительно большие мощности, которые определяются свойствами дополнительных буферных усилителей 19 и 20. Кроме этого, в архитектуре рис.2 максимальные амплитуды выходных напряжений положительной  отрицательной  полярностей близки к сумме напряжений первого 5 (Е) и второго 13 (Е) источников питания , что является одной из ее замечательных особенностей.
Таким образом, предлагаемый ДУ имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.
Источники информации:
1. Патентная заявка США №2005/0218983
2. Патентная заявка США №2006/0139098
3. Патентная заявка США №2006/0006910 fig. 1
4. Патент США №6.657.465
5. Патент США №6.831.513 fig. 4
6. Патент США №6.844.781
7. Патентная заявка США №2008/0032656 fig.6
8. Патент США №6.657.465
9. Патент США №6.538.513
10. Патентная заявка США №2003/0132803 fig.4
11. Патент США №6.882.185 fig. 4