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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические дифференциальные усилители (ДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-17]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для принципиально новых нанотехнологий [10].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту GB 2.419.052, fig. 4.
п
п
у
уmax
п
у
ДН
ДН
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-17], 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 (K) получается небольшим (K=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 K применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы U 0,8÷1,6 В статического напряжения между источником 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 р-n-р транзистора ДН;
э
0
I=I - статический ток эмиттера р-n-р выходного транзистора ДН.
Эрли
0
у
ДН
эб
Для интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» U=20÷30 В. Следовательно, при I=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить K>200÷300. Более высокие выходные сопротивления R реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДУ не эффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, второй 9 источник питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого 11 неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через второй 12 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго 13 неинвертирующего повторителя тока, выход первого 14 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом первого 11 неинвертирующего повторителя тока, выход второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом второго 13 неинвертирующего повторителя тока.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема заявляемого устройства фиг.2 по п.3 формулы изобретения с конкретным выполнением неинвертирующих усилителей тока 11 и 13 и дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15.
На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW, а на фиг.5 - заявляемого ДУ фиг.2.
у
i
6
Графики фиг.6 характеризуют зависимость коэффициента усиления по напряжению (K) ДУ фиг.5 от численных значений коэффициента усиления по току K дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15 при различных значениях сопротивления резистора местной отрицательной обратной связи R=R(R=0÷500 Ом).
у
i
уmax
i
На фиг.7 показаны графики зависимости K схем фиг.4 и фиг.5 от K в укрупненном масштабе. Из их рассмотрения следует, что K=60,24 дБ при K=1,1.
i
На фиг.8 показаны амплитудно-частотные характеристики сравниваемых схем фиг.4 и фиг.5 при K=1,1 и R=1 Ом.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 источник питания, связанный с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, второй 9 источник питания. Второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу первого 11 неинвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со вторым 9 источником питания через второй 12 дополнительный двухполюсник и подключен ко входу второго 13 неинвертирующего повторителя тока, выход первого 14 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом первого 11 неинвертирующего повторителя тока, выход второго 15 дополнительного инвертирующего усилителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а его вход связан с выходом второго 13 неинвертирующего повторителя тока. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16 и 17 и двухполюснике 18.
На фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве первого 11 и второго 13 неинвертирующих повторителей тока используются каскады по схеме с общей базой на транзисторах 19 и 20, базы которых соединены с источником смещения 21.
i
На фиг.3 в соответствии с п.3 формулы изобретения в качестве первого 14 и второго 15 дополнительных инвертирующих усилителей тока используются классические токовые зеркала Вильсона на транзисторах 22, 23, 25, 26 и диодах 24, 27. Коэффициент передачи по току данных функциональных узлов рекомендуется выбирать в пределах K=0,8÷1,2.
c1
Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 18 и цепью смещения потенциалов 21 (E), в качестве которой могут применяться как резистивные делители напряжения питания, так и более совершенные схемы источников напряжения с малыми выходными сопротивлениями.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.
вх
вых
R5
R7
Положительное изменение входного напряжения u приводит к противофазному изменению напряжения на выходах ДУ (u), которые создают токи i и i через резисторы коллекторной нагрузки 5 и 7:
вх
R5
R7
Это объясняется тем, что низкоомный токовый вход неинвертирующих повторителей тока 11 и 13 (их R≈0) имеет по переменному току нулевой потенциал. Поэтому все приращения i и i передаются на входы и далее на выходы неинвертирующих повторителей тока 11 и 13, а затем на выходы дополнительных инвертирующих усилителей тока 14 и 15:
i11
i13
где K=K≈1 - коэффициент усиления по току неинвертирующих повторителей тока 11 и 13;
i12.14
i12.15
K≈1, K≈1 - коэффициенты усиления по току инвертирующих усилителей тока 14 и 15.
В результате эквивалентные сопротивления в коллекторной цепи входного каскада 1, определяющие коэффициенты усиления ДУ, возрастают
i12.14
i12.15
i11
i13
Поэтому коэффициент усиления ДУ фиг.2 при K=K=1, K=1, K=1 увеличивается на один-два порядка. Данный вывод подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.6, фиг.7, фиг.8 схем фиг.4 и фиг.5.
В качестве неинвертирующих повторителей тока авторы рекомендуют применять транзисторные каскады с общей базой (фиг.3) на транзисторах 19 и 20.
Таким образом, в предлагаемом ДУ фиг.2, фиг.3 при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 5 и 7 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 №3.541.464.
2. Патентная заявка WO 2004/102789.
3. Патент США №5.389.893.
4. Патент Японии 53-142849.
5. А.св. СССР 1102019.
6. Патентная заявка WO 2005/077525.
7. Патентная заявка США №2006/0181348.
8. Патентная заявка WO 2006/077525.
9. Патент Англии 2419052.
10. Патентная заявка США №2008/0290941.
11. Патент WO 96/21271.
12. Патентная заявка США 2009/0108882, fig.3.
13. Патент Японии 55030218.
14. Патент Англии 1350352.
15. Патент Японии 54-47467.
16. Патент Японии 55099810.
17. Патент ФРГ 2821942.