ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С УПРАВЛЯЕМЫМ УСИЛЕНИЕМ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH CONTROLLED GAIN

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в устройствах автоматической регулировки усиления, фазовых детекторах и модуляторах, в системах фазовой автоподстройки и умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого зависит от уровня сигнала управления. Управляемый усилитель является базовым узлом современных систем приема и обработки сигналов ВЧ и СВЧ-диапазонов, аналоговой вычислительной и измерительной техники.
В настоящее время в аналоговой микросхемотехнике в составе систем электронной регулировки усиления, смешения или перемножения сигналов широкое применение находят схемы управляемых усилителей на основе дифференциальных каскадов с изменяющимся статическим режимом. Такая структура стала основой построения практически всех известных в настоящее время прецизионных управляемых усилителей и аналоговых перемножителей сигналов. В этой связи задача улучшения параметров этого функционального узла для РЭА нового поколения относится к числу достаточно актуальных задач современной микроэлектроники.
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ), содержащие встречно включенные p-n переходы в общей эмиттерной [1-8] или базовой [9-13] цепи ДУ, которые используются для защиты и входных транзисторов от пробоя эмиттерно-базовых переходов. Первая структура ДУ относится к числу классических и широко применяется в аналоговой микросхемотехнике в связи с тем, что при использовании только резисторов может иметь низковольтное питание (±1,5 В). Это связано с тем, что в ней отсутствует «двухъярусное» включение p-n переходов.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 3863171, фиг.2, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом через встречно включенные первый 3 и второй 4 p-n переходы и подключены к первому 5 и второму 6 источникам опорного тока, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий источник опорного тока 8, подключенный к общей точке встречно включенных первого 3 и второго 4 p-n переходов.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не имеет специального входа «У» для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению, «привязанному» к общей шине источников питания. Это существенно сужает область его использования, не позволяет реализовывать на его основе адаптивные функциональные узлы систем на кристалле, например СВЧ-операционные усилители, смесители и аналоговые перемножители.
y
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий для электронного управления коэффициентом усиления по напряжению ДУ. При этом управляющее напряжение U должно подаваться относительно общей шины источников питания. Реализация этой цели позволяет выполнять на базе заявляемого устройства не только широкополосные ВЧ и СВЧ-усилители с регулируемыми параметрами, но создавать на его основе более сложные функциональные узлы, например аналоговые перемножители сигналов.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом через встречно включенные первый 3 и второй 4 p-n переходы и подключены к первому 5 и второму 6 источникам опорного тока, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий источник опорного тока 8, подключенный к общей точке встречно включенных первого 3 и второго 4 p-n переходов, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 управляющие транзисторы, базы которых подключены к управляющему входу 13 дифференциального усилителя, объединенные коллекторы связаны с третьим источником опорного тока 8, эмиттер первого 11 управляющего транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, а эмиттер второго 12 управляющего транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора.
Схема усилителя-прототипа представлена на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 представлена схема ДУ, соответствующая п.2, а на чертеже фиг.4 - п.3 формулы изобретения.
вх
у
На чертеже фиг.5 показан аналоговый смеситель (перемножитель) сигналов u и u на основе заявляемого ДУ (фиг.2).
На чертеже фиг.6 приведена схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертежах фиг.7, фиг.8, фиг.9 - результаты ее компьютерного моделирования:
u
y
- зависимость коэффициента усиления по напряжению K от частоты при разных значениях напряжения управления U (фиг.7);
u
y
- зависимость коэффициента усиления по напряжению K от напряжения управления U (фиг.8);
u
- зависимость коэффициента усиления по напряжению K от частоты сигнала с управляющего входа (фиг.9).
х
у
На чертеже фиг.10 приведена схема аналогового перемножителя напряжений фиг.5 в среде Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.11 - зависимость ее выходного напряжения от напряжений u и u.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых связаны друг с другом через встречно включенные первый 3 и второй 4 p-n переходы и подключены к первому 5 и второму 6 источникам опорного тока, цепь нагрузки 7, связанную с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, третий источник опорного тока 8, подключенный к общей точке встречно включенных первого 3 и второго 4 p-n переходов. В частном случае цепь нагрузки 7 содержит резисторы 9 и 10. В схему введены первый 11 и второй 12 управляющие транзисторы, базы которых подключены к управляющему входу 13 дифференциального усилителя, объединенные коллекторы связаны с третьим источником опорного тока 8, эмиттер первого 11 управляющего транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, а эмиттер второго 12 управляющего транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора.
В схеме фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения эмиттеры первого 11 и второго 12 управляющих транзисторов связаны с эмиттерами первого 1 и второго 2 входных транзисторов через первый 13 и второй 14 дополнительные резисторы и подключены соответственно к первому 15 и второму 16 дополнительным источникам опорного тока
В схеме фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения эмиттеры первого 11 и второго 12 дополнительных транзисторов связаны друг с другом.
y
вх
В схеме фиг.5, которая является аналоговым перемножителем сигналов u и u, используется два идентичных дифференциальных усилителя (фиг.2).
у
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2. В статическом режиме при напряжении на управляющем входе 13, равном нулю (u=0), в схеме фиг.2 устанавливаются следующие токи
8
0
I= 4I,
0
0
где I - величина опорного тока, определяющего функциональную связь токов других элементов схемы (например, I=0,5 мА);
эi
I - эмиттерный ток i-го транзистора;
m
I - ток через m-й элемент схемы.
В частном случае, когда в качестве двухполюсников 5, 6, 8 используется резистор
,
где ,  - напряжения источников питания.
В схемах с напряжением питания  в качестве двухполюсников 5, 6 и 8 могут применяться традиционные транзисторные источники опорного тока.
Максимальный коэффициент усиления по напряжению схемы фиг.2 определяется формулой
9
10
н
где R=R=R - сопротивление резисторов 9 и 10;
- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода транзисторов 1 и 2;
- дифференциальное сопротивление первого 3 и второго 4 p-n переходов;
т
φ≈26 мВ - температурный потенциал.
у
Таким образом, при u=0
y
у
R
э1
э2
d3
d4
Если u получает положительное приращение (u>0), то это приводит к изменению токов эмиттера транзисторов 11 и 12, поступающих в цепь p-n переходов 3 и 4 на некоторую величину i, зависящую от r, r, r, l3r. При этом суммарный ток коллектора транзисторов 11 и 12
R
y
d3
d4
у
С другой стороны, токи эмиттеров транзисторов 11 и 12 передаются в эмиттерные цепи транзисторов 1 и 2 и компенсируют приращения токов i через p-n переходы 3 и 4. Как следствие, эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 1 и 2 и токи в нагрузке 7 не изменяются при малых изменениях u. В то же время токи через p-n переходы 3 и 4 и, следовательно, их дифференциальные сопротивления r=r уменьшаются, что уменьшает К(1).
При выбранных параметрах элементов нагрузки 7 коэффициент усиления ДУ фиг.6 изменяется более чем на 20 дБ (фиг.7, фиг.8). При этом заявляемый ДУ имеет высокий коэффициент подавления сигнала управления (фиг.9).
На базе предлагаемого ДУ реализуются аналоговые перемножители и смесители сигналов с низковольтным питанием Еп≈±(1÷1,5)В. Это существенное достоинство заявляемого устройства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США № 3541464.
2. Патент США № 4180780.
3. Патентная заявка США № 2005/0225389, фиг.3.
4. Патент США № 5206605.
5. Патент США № 5184089.
6. Патент США № 3863171.
7. Патент WO 00/65711.
8. Патент США № 6531919.
9. Патент США № 6693780.
10. Патент США № 6400541.
11. Патент США № 5414388.
12. Ав. свид. СССР № 970638.