ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ
DIFFERENTIAL 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, СВЧ операционных усилителях (ОУ), компараторах).
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.
В последние годы ДУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1) B, которое характерно для SiGe-транзисторов с предельными частотами 100÷200 ГГц.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в статье [2], содержащий входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый 6 и второй 7 двухполюсники нагрузки, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, вспомогательный двухполюсник 10, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу выходного транзистора стабилизатора тока 8, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, первые выводы которых подключены к эмиттерам соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а также первому 13 и второму 14 противофазным выходам дифференциального усилителя, а вторые выводы связаны с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8.
y
н
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет сравнительно небольшой коэффициент усиления по напряжению (K) при низкоомной нагрузке (например, R=50 Ом).
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в увеличении коэффициента усиления по напряжению ДУ при низкоомной нагрузке без ухудшения энергетических параметров в статическом режиме.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый 6 и второй 7 двухполюсники нагрузки, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, вспомогательный двухполюсник 10, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу выходного транзистора стабилизатора тока 8, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, первые выводы которых подключены к эмиттерам соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а также первому 13 и второму 14 противофазным выходам дифференциального усилителя, а вторые выводы связаны с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, а также первый 17 и второй 18 дополнительные двухполюсники, база первого 4 выходного транзистора соединена с первым 6 двухполюсником нагрузки и базой второго 16 дополнительного транзистора через первый дополнительный двухполюсник 17, база второго 5 выходного транзистора соединена со вторым 7 двухполюсником нагрузки и базой первого 15 дополнительного транзистора через второй 18 дополнительный двухполюсник, коллектор первого 4 выходного транзистора соединен с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора, коллектор второго 5 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 16 дополнительного транзистора, причем коллекторы первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов связаны с шиной источника питания.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
y
На фиг.3 и 4 показаны схемы ДУ-прототипа (фиг.3) и заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.5 - зависимость K сравниваемых схем (фиг.3, 4) от частоты.
y
На фиг.6 и 7 показаны схемы ДУ-прототипа (фиг.6) и заявляемого ДУ (фиг.7) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда в ДУ используется несимметричное включение низкоомной нагрузки (50 Ом) между общей шиной источников питания и выходами устройств, а на фиг.8 - зависимость K сравниваемых схем (фиг.6, 7) от частоты.
y
На фиг.9 и 10 показаны схемы ДУ-прототипа (фиг.9) и заявляемого ДУ (фиг.10) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных СВЧ-транзисторов IHP для случая, когда в ДУ используется симметричное включение низкоомной нагрузки (50 Ом), а на фиг.11 - зависимость K сравниваемых схем (фиг.9, 10) от частоты. Графики фиг.11 показывают, что предлагаемое устройство имеет в 9-10 раз больший коэффициент усиления по напряжению (≈20 дБ) при практически одинаковых значениях верхней граничной частоты (182 МГц). Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
Дифференциальный усилитель, фиг.2, содержит входной параллельно-балансный каскад 1, первый 2 и второй 3 токовые выходы которого связаны с базами первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, первый 6 и второй 7 двухполюсники нагрузки, выходной транзистор стабилизатора тока 8, коллектор которого соединен с общей эмиттерной цепью 9 входного параллельно-балансного каскада 1, вспомогательный двухполюсник 10, включенный параллельно эмиттерно-базовому переходу выходного транзистора стабилизатора тока 8, первый 11 и второй 12 резисторы обратной связи, первые выводы которых подключены к эмиттерам соответствующих первого 4 и второго 5 выходных транзисторов, а также первому 13 и второму 14 противофазным выходам дифференциального усилителя, а вторые выводы связаны с базой выходного транзистора стабилизатора тока 8. В схему введены первый 15 и второй 16 дополнительные транзисторы, а также первый 17 и второй 18 дополнительные двухполюсники, база первого 4 выходного транзистора соединена с первым 6 двухполюсником нагрузки и базой второго 16 дополнительного транзистора через первый дополнительный двухполюсник 17, база второго 5 выходного транзистора соединена со вторым 7 двухполюсником нагрузки и базой первого 15 дополнительного транзистора через второй 18 дополнительный двухполюсник, коллектор первого 4 выходного транзистора соединен с эмиттером первого 15 дополнительного транзистора, коллектор второго 5 выходного транзистора соединен с эмиттером второго 16 дополнительного транзистора, причем коллекторы первого 15 и второго 16 дополнительных транзисторов связаны с шиной источника питания.
н
В частном случае входной параллельно-балансный каскад 1 в схеме фиг.2 реализован на транзисторах 19 и 20, а нагрузка 21 (R), имеет симметричное включение.
23
Коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа, фиг.1, зависит от сопротивления нагрузки r между выходами 2 и 3:
4
5
3
где β=β=β - коэффициент усиления по току базы транзисторов 4 и 5;
- сопротивление эмиттерных p-n переходов транзисторов входного параллельно-балансного каскада 1;
0
к8
6
7
I=I/2=I=I - статический ток двухполюсников нагрузки 6 и 7;
т
φ=26 мВ - температурный потенциал.
После преобразований (1) можно получить, что в схеме фиг.1
н
y
При R=50 Ом, β=60 численные значения K<60, что недостаточно во многих практических случаях.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства, фиг.2.
Статический режим по току транзисторов ДУ, фиг.2, устанавливается двухполюсниками нагрузки 6 и 7:
кi
где I - коллекторный ток i-го транзистора;
0
I - статический ток двухполюсников 6 и 7.
Сравнительно низкоомные резисторы 11 и 12 определяют статический режим по напряжению коллектор-база транзисторов входного параллельно-балансного каскада 1.
вх
2
3
н
Если на вход ДУ, фиг.2, подается напряжение u, то это приводит к изменениям напряжений u и u на выходах 2 и 3, появлению тока i в нагрузке 21 и токов базы транзисторов 4 и 5, 15 и 16:
i
где β - коэффициент усиления по току базы i-го транзистора;
эj
i - ток эмиттера j-го транзистора.
Поэтому суммарные приращения приведенных токов нагрузки в цепях выходов 2 и 3:
4
16
5
15
При β=β, β=β получаем, что в коллекторной цепи входного каскада 1 обеспечивается компенсация близких по величине переменных токов, обусловленных низкоомной нагрузкой, что существенно повышает эквивалентное сопротивление между выходами 2 и 3 и, как следствие, коэффициент усиления по напряжению ДУ, фиг.2.
y
В практических схемах фиг.4, 7 и 10 выигрыш по K достигает одного порядка (фиг.5, 8 и 11). Следует заметить, что данный положительный эффект достигается без увеличения статического тока, потребляемого схемой от источников питания. Предлагаемая схема может быть реализована в рамках техпроцесса SGB25VD, внедряемого российскими предприятиями.
н
y
Таким образом, заявляемый дифференциальный усилитель при малом токопотреблении обеспечивает при низкоомной нагрузке R=50 Ом повышенный K, а также реализуется на основе техпроцесса SGB25VD, в котором нет p-n-p транзисторов. Это весьма существенные преимущества.
Источники информации
1. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / Под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007. - С.106-110.
2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.
3. S.P. Voinigescu, et al, "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz," IEEE BCTM, pp.1-8, Oct. 2006.
4. Патент США №4.274.394, фиг.2.
5. Патент США №3.619.797.
6. Патент США №3.622.902.
7. Патент США №3.440.554.
8. А.св. СССР №299013.
9. Патент Англии №1.175.329, Н3Т.
10. Патент США №3.304.512.
11. Патент США №4.371.93.
12. А.св. СССР №421105.
13. А.св. СССР №764100.
14. А.св. СССР №669471.