ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
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, операционных усилителях (ОУ), стабилизаторах напряжения, компараторах и т.п.).
В современной микроэлектронике широко используются дифференциальные усилители (ДУ), реализованные на базе классических эмиттерных повторителей [1-12] фиг.1. Они могут быть отнесены к подклассу так называемых псевдодифференциальных усилителей, так как при несимметричном включении нагрузки их выходное напряжение для каждого из выходов (Вых.1, Вых.2) не зависит от уровня сигнала на противофазном входе. То есть ДУ данного подкласса целесообразно применять только при использовании дифференциального выхода, то есть когда выходное напряжение снимается между узлами Вых.1 и Вых.2.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является классический ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5138318 fig.1. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания. Нагрузка ДУ включается между эмиттерами входных транзисторов.
вх.1
вx.2
у
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не реализует свою основную функцию - усиление разности входных сигналов (u, u) при несимметричном включении нагрузки, т.е. использовании только одного выхода. Кроме этого, коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа (K) всегда меньше единицы.
вх.1
вх.2
вых
у
вх.1
вх.2
у
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении выходного напряжения ДУ при несимметричном включении нагрузки, зависящего как от напряжения на базе первого 1 (u), так и на базе второго 2 (u) входных транзисторов, т.е. в реализации функции дифференциального усилителя u=K(u-u), где K>1 - коэффициент усиления по напряжению.
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 7 и второй 8 дополнительные резисторы, а также дополнительное токовое зеркало 9, вход которого соединен с первым 4 токостабилизирующим двухполюсником, выход - связан со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а общий эмиттерный выход - соединен с эмиттером дополнительного выходного транзистора 10 и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 11, причем база дополнительного выходного транзистора 10 соединена с выходом дополнительного токового зеркала 9, первый 7 дополнительный резистор включен между входом дополнительного токового зеркала 9 и эмиттером первого 1 входного транзистора, а второй 8 дополнительный резистор включен между эмиттером второго 2 входного транзистора и выходом дополнительного токового зеркала 9.
На фиг.1 приведена схему ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
у
На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.4 - зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты. Последний график показывает, что, несмотря на использование несимметричной нагрузки в схеме фиг.3, коэффициент усиления по напряжению предлагаемого улучшается на 12 дБ в сравнении с K известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
6
На фиг.5 приведена модификация ДУ фиг.2 в среде Cadence на моделях транзисторов HJW, в которой выход ДУ нагружен на буферный усилитель на транзисторе Q по схеме с общим эмиттером. Эта схема показывает возможные направления практического использования заявляемого устройства.
На фиг.6 показана амплитудно-частотная характеристика ДУ фиг.5.
Пример практического использования заявляемого ДУ в структуре SiGe операционного усилителя представлен на фиг.7, а на фиг.8 приведена АЧХ ОУ фиг.7 на базе заявляемого ДУ в сравнении с АЧХ ОУ, имеющего выходной буферный усилитель на основе дифференциального усилителя-прототипа.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания. В схему введены первый 7 и второй 8 дополнительные резисторы, а также дополнительное токовое зеркало 9, вход которого соединен с первым 4 токостабилизирующим двухполюсником, выход - связан со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а общий эмиттерный выход - соединен с эмиттером дополнительного выходного транзистора 10 и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 11, причем база дополнительного выходного транзистора 10 соединена с выходом дополнительного токового зеркала 9, первый 7 дополнительный резистор включен между входом дополнительного токового зеркала 9 и эмиттером первого 1 входного транзистора, а второй 8 дополнительный резистор включен между эмиттером второго 2 входного транзистора и выходом дополнительного токового зеркала 9. В частном случае дополнительно токовое зеркало 9 реализовано на транзисторе 12 и р-n переходе 13. Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
В статическом режиме эмиттерные токи входных транзисторов 1 и 2 устанавливаются двухполюсниками 4 и 5, а также за счет выбора сопротивлений дополнительных резисторов 7 и 8.
вх.1
7
Если на вход Вх.1 подается входное напряжение u, то это вызывает увеличение тока i через резистор 7
у
где K - коэффициент усиления по напряжению ДУ.
7
5
вых.
При этом приращение тока i передается через токовое зеркало 9 в резистор 8 и вызывает увеличение напряжения на этом резисторе. Поэтому напряжение u на токостабилизирующем двухполюснике 5 уменьшается. Как следствие, уменьшается напряжение на выходе ДУ u и напряжение на двухполюснике 4, так как в схеме фиг.2
вых.
вх.1
Таким образом, фаза выходного напряжения u на выходе ДУ фиг.2 противоположна фазе входного напряжения u, а коэффициент усиления
i12.9
где K≈1 - коэффициент передачи по току токового зеркала 9.
8
7
i12.9
H
у
Если R=R, а K=-1, то при высокоомной нагрузке (R=∞) K достигает значений:
То есть схема фиг.2 обеспечивает усиление сигнала.
H
Если R≠∞ то
где  - эквивалентное сопротивление в выходной
цепи токового зеркала 9;
10
β - коэффициент усиления по току базы транзистора 10.
у.max.
7
В этом случае для получения K необходимо выбрать R исходя из уравнения:
вх.2
вых
4
вх.2
Если входное напряжение u подается на второй вход ДУ (Вх.2), то это вызывает синфазное изменение напряжения на базе транзистора 10, выходного напряжения u и напряжения u. Как следствие, ток через резистор 7 уменьшается, что вызывает уменьшение выходного тока токового зеркала 9 и тока через резистор 8. Поэтому в данном режиме выходное напряжение ДУ фиг.2 имеет такую же фазу, что и входное напряжение u.
у
Фиг.4 показывает, что при выбранных параметрах элементов заявляемый ДУ (в отличие от ДУ-прототипа) обеспечивает усиление сигнала с K≈12 дБ.
Таким образом, в отличие от известного ДУ предлагаемая схема имеет существенные преимущества.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4573022.
2. Патент США №4716381 fig.3.
3. Патент США №6768379.
4. Патент США №5712810 fig.25.
5. Патент США №6972624 fig.6A.
6. Патентная заявка США 2009/058522.
7. Патент США №5138318 fig.1.
8. Патент США №6980055.
9. Патентная заявка США 2003/0112070.
10. Патентная заявка США 2009/0212865 fig.5.
11. Патентная заявка США 2002/0149397.
12. Патентная заявка США 2006/0186965 fig.5.