ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ ВЫХОДОМ
BROADBAND OPERATIONAL AMPLIFIER WITH DIFFERENTIAL OUTPUT

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых и высокочастотных сигналов, в структуре аналоговых интерфейсов различного функционального назначения (например, драйверах линий связи).
Известны схемы классических дифференциальных операционных усилителей (ДОУ) [1-14] с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем первого и второго поколения.
В последние годы ДОУ данного класса стали снова активно применяться в структуре СВЧ-устройств с низкоомным дифференциальным выходом [1, 2, 3], реализованных на базе новейших SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДОУ при низковольтном питании (1,2÷2,1)В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 120÷160 ГГц.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является широкополосный операционный усилитель с дифференциальным выходом (ШОУ), описанный в статье «Схемотехника СВЧ операционных усилителей для аналоговых интерфейсов с глубокой обратной связью» (А.С.Будяков, Н.Н.Прокопенко, К.Schmalz, С.Scheytt, P.Ostrovskyy // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. Академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008. - С.301-306, рис.4), содержащий входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи, управляемый источник опорного тока 7, выход которого связан с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи, первый 8 и второй 9 вспомогательные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого 8 вспомогательного транзистора соединен с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через первый токостабилизирующий двухполюсник 12, коллектор второго 9 вспомогательного транзистора подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, первый 14 и второй 15 выходные транзисторы, первый 16 и второй 17 резисторы нагрузки, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 14 и второго 15 выходных транзисторов и первым 18 и вторым 19 выходами устройства, причем общая точка первого 16 и второго 17 резисторов нагрузки связана со входом управляемого источника опорного тока 7, база первого 14 выходного транзистора соединена с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 15 выходного транзистора соединена со вторым 5 токовым входом дифференциального каскада.
в
Существенный недостаток известного ШОУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты f, что ограничивает предельный диапазон частот ШОУ при работе в схемах с глубокой отрицательной обратной связью.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот ШОУ и электронных устройств на его основе.
Поставленная цель достигается тем, что в операционном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи, управляемый источник опорного тока 7, выход которого связан с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи, первый 8 и второй 9 вспомогательные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого 8 вспомогательного транзистора соединен с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через первый токостабилизирующий двухполюсник 12, коллектор второго 9 вспомогательного транзистора подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, первый 14 и второй 15 выходные транзисторы, первый 16 и второй 17 резисторы нагрузки, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 14 и второго 15 выходных транзисторов и первым 18 и вторым 19 выходами устройства, причем общая точка первого 16 и второго 17 резисторов нагрузки связана со входом управляемого источника опорного тока 7, база первого 14 выходного транзистора соединена с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 15 выходного транзистора соединена со вторым 5 токовым входом дифференциального каскада, предусмотрены новые элементы и связи - первый 2 вход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 9 вспомогательного транзистора через первый 20 дополнительный конденсатор, а второй 3 вход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора через второй 21 дополнительный конденсатор.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.
п
На чертеже фиг.4 показана схема заявляемого ШОУ в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на чертеже фиг.5 - схема включения ШОУ фиг.2 с коэффициентом усиления К=-1 (резистор R0 имитирует сопротивление контакта на подложку, резисторы обратной связи - все по 100 Ом).
в
п
20
21
На чертеже фиг.6а показан график изменения верхней граничной частоты f по уровню (-3 дБ), а на чертеже фиг.6б - ЛАЧХ дифференциального коэффициента усиления для ОУ фиг.4 (включение К=-1, фиг.5) при вариации емкостей коррекции 20 и 21 C=C=Ccor=0…5 пФ с шагом 0,5 пФ.
Широкополосный операционный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 токовые выходы, и токовый вход 6 в общей эмиттерной цепи, управляемый источник опорного тока 7, выход которого связан с токовым входом 6 в общей эмиттерной цепи, первый 8 и второй 9 вспомогательные транзисторы, базы которых подключены к источнику напряжения смещения 10, коллектор первого 8 вспомогательного транзистора соединен с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через первый токостабилизирующий двухполюсник 12, коллектор второго 9 вспомогательного транзистора подключен ко второму 5 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а эмиттер подключен к шине источника питания 11 через второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, первый 14 и второй 15 выходные транзисторы, первый 16 и второй 17 резисторы нагрузки, соединенные с эмиттерами соответствующих первого 14 и второго 15 выходных транзисторов и первым 18 и вторым 19 выходами устройства, причем общая точка первого 16 и второго 17 резисторов нагрузки связана со входом управляемого источника опорного тока 7, база первого 14 выходного транзистора соединена с первым 4 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 15 выходного транзистора соединена со вторым 5 токовым входом дифференциального каскада. Первый 2 вход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 9 вспомогательного транзистора через первый 20 дополнительный конденсатор, а второй 3 вход входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора через второй 21 дополнительный конденсатор.
В широкополосном операционном усилителе, соответствующем п.2 формулы изобретения (фиг.3), первый вход 2 входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером второго 9 вспомогательного транзистора через последовательно соединенные первый 20 дополнительный конденсатор и первый 22 дополнительный буферный усилитель, а второй вход 3 входного дифференциального каскада 1 связан с эмиттером первого 8 вспомогательного транзистора через последовательно соединенные второй 21 дополнительный конденсатор и второй 23 дополнительный буферный усилитель.
20
21
На чертеже фиг.4 приведена модель ШОУ фиг.3 с дополнительными буферными усилителями, в которой емкости конденсаторов C=C определяются параметром Ccor.
Рассмотрим работу ШОУ фиг.3.
Статический режим по току входных транзисторов предлагаемого ШОУ, например, в схеме включения фиг.5 устанавливается цепью отрицательной обратной связи по синфазному сигналу и двухполюсниками 12 и 13, а также источником напряжения смещения 10. При этом эмиттерные токи транзисторов 14 и 15 определяются входной цепью управляемого источника опорного тока 7.
в
т
т
В типовой схеме включения ОУ фиг.2, например в структуре драйвера линии связи (фиг.5), частотные свойства петли отрицательной обратной связи определяются амплитудно-частотной характеристикой входного каскада 1 и паразитными емкостями в цепи первого 4 и второго 5 выходов, зависящими от емкостей на подложку и емкостей коллектор-база транзисторов схемы. В ШОУ-прототипе это приводит к формированию достаточно небольших значений верхней граничной частоты f<<f, где f - граничная частота усиления транзисторов [2-3].
В заявляемом устройстве с помощью конденсаторов 20 и 21 создается более высокочастотный (чем через транзисторы входного каскада 1) канал передачи сигнала со входов 2 и 3 к выходным узлам 4 и 5. Действительно, входной сигнал передается через элементы 22, 20 и 23, 21 на выходы 4 и 5 по более высокочастотным каналам - транзисторы 8 и 9, включенные по схеме с общей базой, характеризующейся большей широкополосностью, чем схема с общим эмиттером (каскад 1). В результате операционный усилитель становится более широкополосным.
в
в
Представленные на чертеже фиг.6 результаты компьютерного моделирования схемы фиг.4 на базе транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» с граничными частотами 8-8,5 ГГц показывают, что полоса пропускания (f) предлагаемого устройства повышается более чем в 4 раза (от f=150 МГц до ). При использовании SiGe полевых (8, 9) и биполярных (14, 15) транзисторов (модели IHP) выигрыш по  достигает 1,3-1,8 раза при .
в
Следует отметить, что введение предлагаемых элементов частотной коррекции не ухудшает запас устойчивости ШОУ при одновременном повышении f - выброс ЛАЧХ не превышает 0,2 дБ (фиг.6б).
Таким образом заявляемый усилитель обеспечивает в 4-5 раз большую полосу пропускания. Это весьма существенно для интерфейсных микросхем систем связи и телекоммуникаций.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. S.P.Voinigescu, Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth [Text] / S.P.Voinigescu et al. // IEEE CSICS, Techn. Digest, Nov. 2005, pp.283-286.
2. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz [Text] / A.Budyakov, K.Schmalz, N.N.Prokopenko, C.Scheytt, P.Ostrovskyy // Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC′08 / Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.
3. Будяков A.C. Схемотехника СВЧ операционных усилителей для аналоговых интерфейсов с глубокой обратной связью [Текст] / А.С.Будяков, Н.Н.Прокопенко, К.Schmalz, С.Scheytt, P.Ostrovskyy // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем - 2008. Сборник научных трудов III Всероссийской научно-технической конференции / под общ. ред. Академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: Институт проблем проектирования в микроэлектронике РАН, 2008. - С.301-306, рис.4.
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. Авт.св. СССР №299013.
9. Патент Англии №1.175.329, НЗТ.
10. Патент США №3.304.512.
11. Патент США №4.371.93.
12. Авт.св. СССР №421105.
13. Авт.св. СССР №764100.
14. Авт.св. СССР №669471.