КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ
HIGH-FREQUENCY COMPENSATION CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных усилителях, видеоусилителях и т.п.).
В современной микроэлектронике находят широкое применение классические дифференциальные каскады на основе так называемых «перегнутых» каскодов с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь выходных транзисторов[1-6]. Для повышения коэффициента усиления по напряжению таких ДУ используются также активные нагрузки [7-10], реализованные на транзисторных источниках тока.
Наиболее близким но технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель (ДУ) с цепями емкостной ВЧ-коррекции по патенту US №6.924.701, fig. 5.
у
п
у
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что его коэффициент передачи по напряжению (К) при низкоомной резистивной нагрузке и малом напряжении питания (Е=±2,5÷5 В) получается небольшим (К=10÷20).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении на 1÷2 порядка коэффициента усиления в рабочем диапазоне частот. Это позволяет при построении СФ-блоков систем связи исключить в ряде случаев дополнительные каскада усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе с высокочастотной коррекцией фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго 5 выходного транзистора, первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом первого 6 корректирующего конденсатора и через первый 7 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 10 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 11 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, третий 12 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого 13 выходного транзистора, вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом второго 14 корректирующего конденсатора и через второй 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером четвертого 13 выходного транзистора, второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего 12 выходного транзистора и коллектором четвертого 13 выходного транзистора, второй 17 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым 18 выходом устройства и коллектором третьего 12 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
6
14
n
На фиг.4 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем при разных емкостях первого 6 и второго 14 корректирующих конденсаторов: С=С=С.
Каскодный дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой второго 5 выходного транзистора, первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом первого 6 корректирующего конденсатора и через первый 7 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером второго 5 выходного транзистора, первый 9 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой первого 4 выходного транзистора и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 10 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 11 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, третий 12 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с базой четвертого 13 выходного транзистора, вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первым выводом второго 14 корректирующего конденсатора, и через второй 15 вспомогательный двухполюсник соединен с первой 8 шиной источника питания и эмиттером четвертого 13 выходного транзистора, второй 16 токостабилизирующий двухполюсник, соединенный с базой третьего 12 выходного транзистора и коллектором четвертого 13 выходного транзистора, второй 17 двухполюсник нагрузки, первый вывод которого соединен со вторым 18 выходом устройства и коллектором третьего 12 выходного транзистора. Второй вывод первого 10 двухполюсника нагрузки связан со второй 19 шиной источника питания через первый дополнительный резистор 20 и соединен со вторым выводом первого 6 корректирующего конденсатора, а второй вывод второго 17 двухполюсника нагрузки связан со второй 19 шиной источника питания через второй 21 дополнительный резистор и соединен со вторым выводом второго 14 корректирующего конденсатора. В частном случае (фиг.2) входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 22, 23 и источнике тока 24.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
6
10
20
В рабочем диапазоне частот предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ при емкости первого 6 корректирующего конденсатора, равной нулю (С=0), определяется сопротивлением первого 10(R>>R) двухполюсника коллекторной нагрузки:
э22
э23
где  - крутизна усиления входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания по первому 11 выходу, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (r, r) транзисторов 22 и 23.
у
6
Покажем аналитически, что более высокие значения К в диапазоне средних частот, когда можно пренебречь влиянием паразитных и корректирующих конденсаторов, реализуются в схеме фиг.2 при С≠0.
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ фиг.2 по выходу 11 определяется по формуле:
где  - комплекс эквивалентного выходного импеданса по первому 11 выходу ДУ;
- комплексная крутизна входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания его первого 11 выхода. Комплекс эквивалентной нагрузки  можно найти по формуле:
где ,
- комплекс импеданса первого 6 корректирующего конденсатора;
- комплексный коэффициент усиления по току эмиттера первого 4 выходного транзистора.
После преобразований последней формулы находим, что
6
Поэтому комплексный коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2, в широком диапазоне частот при C≠0:
Если положить, что транзистор 4 достаточно высокочастотный , то:
В диапазоне низких частот, когда ω→0:
В рабочем диапазоне частот, когда влиянием первого 6 корректирующего конденсатора можно пренебречь:
у
Таким образом, выигрыш по К, который дает ДУ фиг.2 в сравнении с ДУ-прототипом:
Если ω=0, то . В области средних и высоких частот (когда ω→∞):
у
График фиг.4 показывает, что выигрыш по К в диапазоне средних частот, зависящем от численных значений емкостей коррекции 6 и 14, достигает 30-35 дБ, т.е. более чем в 10 раз. Это существенное преимущество заявляемого устройства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.406.990, fig.4.
2. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике [Текст}/ П.Шкритек. - Издательство «Мир», 1991, - с.71, рис.5.8.2.
3. Патент США №4.600.893, fig.5.
4. Патент США №3.579.134.
5. Патент США. №.4.151.483, fig.4.
6. Патент США №.4.151.484, fig.4.
7. Патент США №4.390.850.
8. Патент США. №6.448.853, fig.4.
9. Патент США №6.710.654. fig.1-3.
10. Патентная заявка США 2003/0090321, fig.3.