ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
BROADBAND 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.
Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе «перегнутого» каскода с парафазным (дифференциальным) выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11].
Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 4.600.893, содержащий первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания.
у
10
11
у
10
11
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не работоспособен из-за проблем со статическим режимом при высоких значениях коэффициента усиления по напряжению (К), зависящего от сопротивлений первого 10 (r) и второго 11 (r) токостабилизирующих двухполюсников, которые могут (для увеличения К) выполняться в виде источников тока. Кроме этого, при высоких r, r известный ДУ имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени:
Σ5
Σ8
Σ5
Σ8
10
11
5
8
6
-7
где С, C - эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 5, 10 и 8, 11. Если С=С≤0,5 пФ, а r≈r≈10 Ом, то τ=τ=510 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте  устройства.
у
в
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ, повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению К и верхней граничной частоты f (по уровню - 3 дБ).
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18. Кроме того, в заявляемом ДУ первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа с выходным каскадом на p-n-p транзисторах.
На чертеже фиг.2 показан ДУ фиг.1 с выходным каскадом на n-p-n транзисторах.
На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферных усилителей 15 и 13, а также неинвертирующего каскада 18.
На чертеже фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
2
3
На чертеже фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5 при разных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С (20) и С (19).
На чертеже фиг.7 показана зависимость выходных напряжений ДУ при входном синусоидном сигнале Uin1=1 мВ.
Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18, первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.
В схемах фиг.3, фиг.4 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 21 и 22 и источнике опорного тока 23. В дифференциальном усилителе фиг.4, соответствующем чертежу фиг.3, буферный усилитель 13 реализован на транзисторе 25 и источнике тока 33, а буферный усилитель 15 содержит соответственно транзистор 24 и источник опорного тока 32. Кроме этого неинвертирующий каскад 18 реализован здесь на транзисторе 26, резисторах 27, 29 и p-n переходе 28. Конденсаторы 30 и 31 моделируют эквивалентные емкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены емкостями на подложку элементов 5, 10, 8, 11, а также емкостями коллектор-база транзисторов 5, 25 и 8, 24.
Рассмотрим работу ДУ фиг.3.
кi
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.3 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 10, 11 и 23, причем коллекторные (I) токи транзисторов схемы:
,
0
где I - заданное значение опорного тока, например 1 мА.
вх
Статические напряжения на выходах ДУ 14 и 12 при нулевом входном сигнале (u=0) близко к нулю, что обеспечивается неинвертирующим каскадом 18:
10
11
При этом синфазная нестабильность или технологические изменения токов I, I передаются на выходы 12 и 14 и вызывают «подстройку» коллекторных токов транзисторов 5 и 8, что в конечном итоге стабилизирует статический режим схемы.
i
10
11
у
i
10
11
у
Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.3 не зависит от дифференциальных сопротивлений (r=r=r) токостабилизирующих двухполюсников 10, 11, которые для повышения К до уровня 60÷70 дБ (фиг.6) могут выполняться в виде источников тока. В ДУ-прототипе фиг.1 такое исполнение элементов 10, 11 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения r=r=r позволяют получить в схеме фиг.3 повышенные значения К.
в
30
31
30.эф
31.эф
Замечательная особенность заявляемого ДУ состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов 19 и 20 более чем на порядок расширяется диапазон рабочих частот ДУ (фиг.6) - верхняя граничная частота f увеличивается от 4,3 мГц до 48,3 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией эквивалентной емкости на подложку С (С) емкостью корректирующего конденсатора 20 (19). При этом эффективные емкости С, С уменьшаются до величины:
8
5
где α≈α≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 8 и 5.
в
В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 8 и 5) уменьшаются, что повышает более чем на порядок верхнюю граничную частоту f ДУ (фиг.6).
Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают (фиг.6, фиг.7), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.3) реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US №4.406.990, fig.4
2. Патент US №4.600.893
3. Патент US №5.557.238
4. Патент US №5.734.296, fig.3
5. Патент US №5.420.540
6. Патент US №3.879.689, fig.3
7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - стр.87, рис.5.20.
8. Патентная заявка US №2005/0206454, fig.4
9. Патент US №6.710.654
10. Патент US №6.300.831
11. Патент US №5.422.600