КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
CASCODE DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION RATIO

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, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-10]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых (аналогово-цифровых) устройств и является базовой как для традиционных, так и для новых технологий.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель по патенту фирмы Texas Instruments US 5.461.342, fig.1.
п
п
у
ymax
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного КДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-10], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Е), характерных для SiGe технологических процессов (Е≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим (К=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Е не могут выбираться высокоомными. Поэтому для повышения К иногда применяются так называемые «динамические нагрузки» (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения U=0,8÷1,6 В между шиной источника питания и выходом ДН. Причем численные значения U равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:
Эрли
где U - напряжение Эрли выходного p-n-p транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера p-n-p выходного транзистора ДН.
Эрли
0
y
дн
дн
эб
Для интегральных транзисторов U=20÷30 В. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения К. Более высокие выходные сопротивления R реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение U между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме того, не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-p транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск), применение p-n-p транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения КДУ не эффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На чертеже фиг.1 показана схема КДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, в которой выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на p-n-p транзисторах 24, 25 и токовом зеркале 27.
На чертеже фиг.4 показана схема КДУ с парафазным выходом, в котором выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на р-n-р транзисторах 33, 34 и резисторах коллекторной нагрузки 35, 36.
у
17
18
с
8
9
14
11
График фиг.5 характеризует частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (К) КДУ (фиг.2 и фиг.1), полученные в среде компьютерного моделирования РSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП HПП «Пульсар» при R=R=1,5 кОм, Е=1,5 В, R=R=500 Ом, I=I=2 мА, . Все транзисторы - TN15S.
Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов. База первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На чертеже фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 12 и 13, статический режим которых устанавливается источником тока 14. Выходной дифференциальный каскод 4 реализован на транзисторах 13 и 14, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения 19 (Ec). Коллекторная нагрузка в каскоде 4 реализована на резисторах 17 и 18, связанных с шиной положительного источника питания 20. Эмиттерные цепи транзисторов 12, 13, 9, 10 связаны с шиной 21 источника отрицательного напряжения питания.
На чертеже фиг.3 выходной дифференциальный каскод 4 реализован на основе источников опорного тока 22 и 23, транзисторах 24 и 26, статический режим которых по цепи базы, устанавливается источником напряжения 26 (Ес). Нагрузкой каскода является токовое зеркало 27, выход которого связан с буферным усилителем 28.
На чертеже фиг.4 выходной дифференциальный каскод 4 с парафазным выходом реализован на основе источников опорного тока 31 и 32, транзисторах 33 и 34, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения Ес. Нагрузкой каскода 4 являются резисторы 35 и 36.
В соответствии с п.2 формулы изобретения в схеме фиг.3 параллельно первому 6 и второму 8 вспомогательным двухполюсникам включены соответственно первый 29 и второй 30 элементы частотной коррекции, например конденсаторы.
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.
вх
э
к
Положительное изменение входного напряжения (u) приводит к изменению эмиттерных (i) и коллекторных (i) токов транзисторов 12 и 13:
эi
0
где  - сопротивление эмиттерного перехода 1-го транзистора при статическом эмиттерном токе I=I;
т
φ≈25 мВ - температурный потенциал.
23
Поэтому напряжение U между базами транзисторов 9 и 10:
8
6
где R=R - сопротивления двухполюсников 6 и 8.
23
Напряжение u вызывает изменение коллекторных токов транзисторов 9 и 10:
где для рассматриваемого случая .
Как следствие эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 15 и 16:
к16
вых.2
Для тока i и выходного напряжения u можно записать следующие уравнения:
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ (фиг.2) в N-раз больше, чем ДУ-прототипа:
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление при сравнительно низкоомных резисторах R17=R18=1,5 кОм, R6=R8=500 Ом.
Таким образом, в предлагаемом КДУ (фиг.3) при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 17 и 18 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.
Источники информации
1. Патент США №5.461.342, fig.1.
2. Патент США №7.236.011, fig.4.
3. Патент UK №1.520.085, кл. НЗТ, fig.2.
4. Патент США №3.482.177.
5. Патент DЕ №2.418.455.
6. Патент RU №2.282.303, fig.2.
7. Патент США №5.568.092, fig.1.
8. Патент США №5.440.271, fig.1.
9. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.142, рис.6.64.
10. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.227, рис.8.51.