КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
у
В современной микроэлектронике широко применяются простейшие каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей, фазорасщепителей и т.п. [1-14]. Коэффициент усиления по напряжению (K) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи выходных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ, как правило, меньше ±2,0÷2,5 В, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которые не должны превышать единиц килоом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5.568.092 fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания.
у
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [1-14], состоит в том, что при использовании в качестве первого 9 и второго 11 резисторов его коллекторной нагрузки с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (K), например, для выхода 8 (Вых.1) получается небольшим:
9
где R - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
эi
r - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора входного дифференциального каскада 1.
9
э1
э2
у
у.прот
Например, при R=1 кОм и r=r=25 Ом, коэффициент усиления K ДУ-прототипа K≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.
у
9
11
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (K) при использовании сравнительно низкоомных первого 9 и второго 11 резисторов коллекторной нагрузки (например, R=R=1÷2 кОм) в условиях известных ограничений SiGe-технологии на напряжения питания ДУ (±2,0÷2,5В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25H2).
0
6
у
На фиг.4 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.1 и фиг.2. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R=R=150 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.3, фиг.2) повышается в диапазоне рабочих частот на 20 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с K ДУ-прототипа. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.
у
На фиг.5 показаны сравнительные графики K=φ(f) ДУ фиг.3:
- без повторителей тока 13 и 14 (нижняя кривая);
17
19
var
var
- с повторителями тока 13 и 14, но при C=C=C=0 (средняя кривая прототип С=0);
var
- при реализации ДУ в соответствии с фиг.3 при С=200 пф-50 нф.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.
22
0
В качестве первого 13 и второго 14 токовых зеркал могут применяться классические решения (см., например, фиг.3). На чертеже фиг.2 входной каскад 1 реализован на транзисторах 20 и 21 и двухполюснике 22 с током I=2I, равным, например, 1 мА.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 22 и напряжением Е7 на базах транзисторов 5 и 6. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 20 и 21, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 по выходу Вых.1 в диапазоне рабочих частот определяется по формуле:
i13.13
где K≈2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 13 со входа к общему эмиттерному выходу;
н.экв.5
R - эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора 5 в узле 8 («Вых.1»);
э20
э21
r=r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 20 и 21 входного каскада 1.
н.экв.5
Причем К можно найти из выражения:
где
,
R9
- коэффициент деления тока i;
5
α≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ фиг.2:
у.прот
где K - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1 (1).
у
Поэтому выигрыш по К в схеме фиг.2
у
i13.13
R9
d1
у
6
3
7
2
Численные значения K (4) определяются знаменателем данной формулы, который зависит прежде всего от коэффициента усиления по току K токового зеркала 13 и коэффициента деления тока i между конденсатором 17 и резистором 16 (K<1). Например, для получения десятикратного выигрыша по усилению (N=10) необходимо обеспечить (за счет соответствующего выбора на этапе изготовления площадей эмиттерных переходов транзисторов Q и Q (Q и Q) токов зеркал 13 и 14 (фиг.3)) равенство:
16
9
5
i13.3
16
19
5
у
Если считать, что R≈R, α=0,99, то из (6) следует, что К должен быть близок к двум единицам, что обеспечивается топологией транзисторов, образующих токовые зеркала 13 и 14. При стабильных значениях R, R, α можно реализовать достаточно стабильные значения K в диапазоне изменения внешних факторов (температура, радиация и т.п.).
у
В практических схемах (фиг.3) выигрыш по K получается на уровне - на 24 дБ (фиг.4, фиг.5).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет в диапазоне рабочих частот существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №3.660.773
2. Патент Франции №1.484.340
3. Патент ФРГ №1.214.733
4. Патент Англии №1.520.085
5. Патент США №3.482.177
6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т
7. Патент ФРГ №1.537.590
8. Патент Франции №1.548.008
9. Патент ФРГ №2.418.455
10. Патент США №5.185.582 fig.1
11. Патент США №4.151.483 fig.3
12. Патент Японии JP 61264806
13. Патент США №3.660.773
14. А.с. СССР №427451