ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BROAD-BAND 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, СВЧ-усилителях, сумматоров двух сигналов, логарифмирующих каскадов и т.п.),
y
В совремемнной микроэлектронике при построении систем на кристалле возникает необходимость применения широкополосных дифференциальных усилителей (ШДУ) с единичным коэффициентом усиления по напряжению |K|=1. При этом такие ШДУ должны быть как инвертирующими, так и неинвертирующими фазу входного сигнала, а их коэффициент усиления должен быть достаточно стабильным в широком диапазоне температур и напряжений источников питания. Предлагаемое изобретение относится к данному классу усилительных устройств.
Известны схемы широкополосных двухкаскадных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе логарифмирующих p-n-переходов - так называемые ячейки Джильберта [1-18].
Наиболее близким но технической сущности к заявляемому устройству является широкополосный дифференциальный усилитель фиг.1, рассмотренный в патенте США № 5.521.544. Эта же схема присутствует в патентах |2-18|. Однако данные структуры ШДУ не обеспечивают преобразование симметричного дифференциального входного сигнала к несимметричному иизкоомному выходу, имеющему в статическом режиме нулевой потенциал, т.е. выходу, согласованному с общей шиной источников питания. Это затрудняет последовательное каскадирование таких ШДУ, их практическое использование в разных устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также согласование по выходу с другими функциональными узлами РЭА.
y1
y2
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании простого сверхширокополосного аналогового преобразователя дифференциальных сигналов в недифференциальный сигнал, обеспечении стабильных единичных значений коэффициентов усиления по напряжению K=-1, K=-1 относительно низкоомного выхода ШДУ при высокой стабильности нуля ШДУ в диапазоне температур и радиационных воздействий.
Устройство с такими характеристиками может послужить основой для построения различных функциональных узлов систем на кристалле и IP-модулей - логарифматоров, перемножителей напряжения, фильтров, простейших СВЧ операционных усилителей, стабилизаторов напряжения и т.п.
Поставленная задача достигается тем, что в широкополосном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, а также базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной первого 9 источника питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, второй токостабилизирующий двухполюсник 10, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и шиной второго 11 источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 6 выходного транзистора соединен с базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, его эмиттер связан с общей шиной 12 первого 9 и второго 11 источников питания, а коллекторы первого 4, второго 5 вспомогательных транзисторов, а также коллектор второго 7 выходного транзистора связаны с шиной первого 9 источника питания, причем выход широкополосного дифференциального усилителя связан с эмиттером второго 7 выходного транзистора.
На фиг.1 представлена схема ШДУ-прототипа.
На фиг.2 представлена схема заявляемого ШДУ в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема ШДУ, соответствующая п.2 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема фиг, 2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IНР, а на чертеже фиг.5 - зависимость выходного напряжения ШДУ от входного напряжения при разных значениях сопротивлений резистора R15=R0. Анализ графика фиг.5 показывает, что при R15=R0=0 заявляемый ШДУ обеспечивает линейное усиление сигнала с амплитудой до 200-250 мВ.
На фиг.6 приведены амплитудно-частотные характеристики ШДУ фиг.4 при подаче сигнала на входы in2 и in1, т.е. в инвертирующем и неинвертирующем включении. Анализ данных графиков показывает, что заявляемый ШДУ обеспечивает единичное усиление сигналов до частоты 35-38 ГГц. При этом сигнал со входа 1 инвертируется по фазе, а со входа 2 - не инвертируется.
График фиг.7 показывает фазовые соотношения входного и выходного напряжений для инвертирующего включения ШДУ фиг.4. Из его рассмотрения следует, что ШДУ фиг.4 обеспечивает инверсию входного сигнала на 180° при единичном коэффициенте усиления.
Фиг.8 иллюстрирует зависимость напряжения смещения нуля ШДУ фиг.3 от температуры. Из данного графика следует, что напряжение смещения нуля в диапазоне температур от -50°C до 75°C изменяется на 0,2 мкВ. т.е. отличается достаточно высокой стабильностью.
На фиг.9 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.10 - ее амплитудно-частотные характеристики при разных значениях сопротивлений резистора R15=R0. Из данных графиков следует, что предлагаемый ШДУ обеспечивает усиление около 20 дБ до частоты 17 ГГц.
Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с эмиттерами соответствующих первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, а также базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, первый 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной первого 9 источника питания и объединенными базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, второй токостабилизирующий двухполюсник 10, включенный между эмиттером второго 7 выходного транзистора и шиной второго 11 источника питания. Коллектор первого 6 выходного транзистора соединен с базами первого 4 и второго 5 вспомогательных транзисторов, его эмиттер связан с общей шиной 12 первого 9 и второго 11 источников питания, а коллекторы первого 4, второго 5 вспомогательных транзисторов, а также коллектор второго 7 выходного транзистора связаны с шиной первого 9 источника питания, причем выход широкополосного дифференциального усилителя связан с эмиттером второго 7 выходного транзистора. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 13, 14 и двухполюсниках 15, 16 и 17.
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 2 и второй 3 токовые выходы входного дифференциального каскада 1 связаны с эмиттерами соответствующих первого 4 и второю 5 выходных транзисторов через соответствующие первый 18 и второй 19 дополнительные резисторы.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
вх
2
3
В статическом режиме при пулевом u=0 в узлах 2 и 3 протекают одинаковые токи I и I. Выходное напряжение ШДУ определяется напряжениями на эмиттерно-базовых переходах транзисторов 7, 5, 4, 6:
где
xx
эi
xx
U - напряжение на эмиттерно-базовом p-n-переходе i-го транзистора при эмиттерном токе I=I.
вх
Учитывая, что все транзисторы идентичны, а также то, что эмиттерные токи транзисторов 6 и 7 одинаковы и не изменяются при изменении u, из уравнения (1) находим
Для входного дифференциального каскада 1
15
где R - сопротивление двухполюсника 15.
вх
Таким образом, в широком диапазоне изменения u, выходное напряжение ШДУ фиг.2
гр
0
15
т
где U≈IR+2φ.
Функция (5) может быть представлена в виде ряда Тейлора:
вх
вх
15
вых
вх
Таким образом, при небольших (u<200 мВ) выходное напряжение ШДУ фиг.2 пропорционально входному напряжению u. Если R=0, то u=u, то есть ШДУ обеспечивает неинвертирующее единичное усиление.
вых
вх
Если входное напряжение подается на второй вход Вх.2, то ШДУ фиг.2 инвертирует фазу сигнала в широком диапазоне частот: u=-u.
Данные выводы подтверждаются графиками фиг.6.
Для схемы фиг.3 коэффициент усиления по напряжению зависит от сопротивления дополнительных резисторов 18 и 19:
э13
э14
где r=r - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 13 и 14.
Таким образом, в схеме фиг.3 обеспечивается преобразование входного дифференциального сигнала в выходной недифференциальный сигнал, формирующийся на низкоомном выходе. Это важное свойство схемы фиг.3, которое существенно расширяет области ее практического использования. Действительно, широкое применение СВЧ дифференциальных сигналов в современной микроэлектронике позволяет снизить влияние синфазных помех, нелинейных искажений четного порядка, повысить качество обработки сигналов при низких значениях напряжения питания. Применение дифференциальных сигналов всегда сопровождается необходимостью преобразования их в однофазный сигнал и обратно, так как большинство периферийных устройств могут работать лишь с однофазными сигналами. Заявляемое устройство выполняет эти функции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США № 5.521.544, fig.6.
2. Патент США № 6.111,463, fig.1.
3. Патент США № 4.572.975, fig.1.
4. Патент США № 5.550.512, fig.3.
5. Патент США № 5.115.409, fig.1.
6. Патент США № 4.439.696, fig.2.
7. Патент США № 5.883.539, fig.2.
8. Патент США № 4.288.707.
9. Патент США № 5.774.020, fig.1.
10. Патент США № 5.677.646.
11. Патент США № 5.039.952, fig.5.
12. Патент США № 5.734.294, fig.4.
13. Патент США № 5.886.916, fig.1.
14. Патент США № 6.369.618, fig.2.
15. Патентная заявка США № 2002/0053935, fig.4.
16. Патентная заявка США № 2004/0251965, fig.5.
17. Патентная заявка США № 2004/0032298, fig.1.
18. Патент WO 2002/071597.