ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ КОРРЕКЦИЕЙ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH HIGH-FREQUENCY COMPENSATION

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 и избирательных усилителях и компараторах).
В современной микроэлектронике находят широкое применение классические дифференциальные каскады с резистивной нагрузкой, включенной в коллекторную цепь входного транзистора [1-19].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ по патенту США №6.825.723, fig.1.
у
Существенный недостаток известного устройства состоит в том, что при любых известных способах высокочастотной коррекции его амплитудно-частотной характеристики коэффициент передачи по напряжению скорректированного ДУ всегда меньше, чем его К на постоянном токе, т.е. в области низких частот.
у
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления в диапазоне средних частот до уровня , который в 10÷40 раз превышает К на постоянном токе. Это позволяет в ряде случаев исключить дополнительные каскада усиления, уменьшить общее энергопотребление в сравнении с многокаскадными усилителями.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источников питания, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с выходом 6 устройства, коллектором второго 2 входного транзистора и коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и первой 4 шиной источников питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод резистора коллекторной нагрузки 5 связан со второй 9 шиной источников питания через первый 10 дополнительный резистор и соединен с эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора через первый 11 корректирующий конденсатор, причем база первого 7 вспомогательного транзистора связана с первой 12 цепью установления его статического режима.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.
На фиг.3 приведена схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2, а на фиг.4 - п.3 формулы изобретения.
На фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ в соответствии с п.4, а на фиг.6 - п.5 формулы изобретения.
На фиг.7 показана схема ДУ фиг.5, в которой первый 3 токостабилизирующий двухполюсник реализован на транзисторах 21-22 и резисторах 23-24.
На фиг.8 представлен график теоретической амплитудно-частотной характеристики ДУ фиг.2.
На фиг.9 показана схема ДУ-прототипа в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.10 показаны амплитудно-частотные характеристики схемы фиг.8 при разных емкостях конденсатора С1=С11.
На фиг.11 показана схема заявляемого устройства фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.12 приведены амплитудно-частотные характеристики ДУ фиг.11 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Сn=С11.
На фиг.13 показана схема предлагаемого ДУ фиг.7 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.14 приведены амплитудно-частотные характеристики ДУ фиг.13 при разных значениях емкости корректирующего конденсатора Сn=С11.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источников питания, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с выходом 6 устройства, коллектором второго 2 входного транзистора и коллектором первого 7 вспомогательного транзистора, второй 8 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора и первой 4 шиной источников питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 9 шиной источников питания. Второй вывод резистора коллекторной нагрузки 5 соединен со второй 9 шиной источников питания через первый 10 дополнительный резистор и соединен с эмиттером первого 7 вспомогательного транзистора через первый 11 корректирующий конденсатор, причем база первого 7 вспомогательного транзистора связана с первой 12 цепью установления его статического режима.
12
вх.2
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве первой 12 цепи установления статического режима используется база второго 2 входного транзистора, на которую могут подаваться разные опорные уровни напряжения U=U.
На фиг.4, в соответствии с п.3 формулы изобретения, база второго 2 входного транзистора связана с общей шиной 13 первого 4 и второго 9 источников питания.
На фиг.5, в соответствии с п.4 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора соединен со второй 9 шиной источников питания через последовательно соединенные второй 14 резистор коллекторной нагрузки и второй 15 дополнительный двухполюсник, общий узел которых через второй 16 корректирующий конденсатор соединен с эмиттером второго 17 вспомогательного транзистора, эмиттер второго 17 вспомогательного транзистора подключен к первой 4 шине источников питания через третий 18 токостабилизирующий двухполюсник, его коллектор соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и вторым 19 выходом устройства, а база связана со второй 20 цепью установления статического режима.
На фиг.6, в соответствии с п.5 формулы изобретения, в качестве первой 12 цепи установления статического режима используется база второго 2 входного транзистора, а в качестве второй 20 цепи установления статического режима - база первого 1 входного транзистора.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
11
Предельный коэффициент усиления по напряжению дифференциального каскада фиг.1 при емкости конденсатора 11 (С), равной нулю, определяется сопротивлением первого 5 резистора коллекторной нагрузки R5>>R10:
1-2
э1
э2
э1
э2
-1
где S=(r+r) - крутизна усиления ДУ в режиме короткого замыкания по выходу, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (r, r) транзисторов 1 и 2.
у
1
Покажем аналитически, что более высокие значения К в диапазоне средних частот реализуются в схеме фиг.2 при С.
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ фиг.2 определяется по формуле:
где  - комплекс эквивалентного выходного импеданса узла «А»;
- комплексная крутизна ДУ в режиме короткого замыкания выхода ДУ.
Для ДУ фиг.2, в котором отсутствует корректирующая емкость 11, при условии, что R5>>R10:
Комплекс эквивалентной нагрузки можно найти по формуле:
где ,
- комплекс импеданса первого 11 корректирующего конденсатора;
.
После преобразований последней формулы находим, что
Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2
или при :
у
Таким образом, выигрыш по К, который дает токовая ВЧ-коррекция в ДУ фиг.2
Если ω=0, то . В области высоких частот (когда ω→∞)
При этом модуль коэффициента  ДУ фиг.1, характеризующего эффективность ВЧ-коррекции:
График функции  показан на фиг.8.
3
Начиная с частоты f, эффективность токовой ВЧ-коррекции уменьшается в связи с влиянием коэффициента , емкости коллектор-база транзисторов 2 и 7 и их емкостей на подложку.
вх.2
12
В схеме ДУ фиг.3 статический режим транзистора 7 устанавливается таким же способом, как и у входного транзистора 2 - источником сигнала U-U.
В схеме ДУ фиг.4 роль первой 12 цепи установления статического режима выполняет общая шина 13 источников питания.
Схемы фиг.5, фиг.6 и фиг.7 являются дифференциальными усилителями с двумя противофазными выходами, относительно которых обеспечивается предлагаемая ВЧ коррекция.
у
Графики фиг.10, фиг.11, фиг.14 соответствуют фиг.8. Они показывают высокое совпадение теоретической (фиг.8) и практических характеристик. При этом выигрыш по К в диапазоне средних частот ДУ, зависящем от численных значений емкости коррекции, достигает 18-22 дБ (т.е. более чем в 10 раз).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №4.027.272, fig.1
2. Патент Японии JP 54-104266
3. Патент Японии JP 54-84458
4. Патент Японии JP 54-84457
5. Патент Японии JP 54-104267
6. Патент RU 1748611
7. Патентная заявка SU №2006/0186965, fig.2
8. Патент Японии JP 54-102949
9. Патент США №4.536.717
10. Патент ES 2329183, fig.4
11. Патент США №4.365.207, fig.2
12. Патентная заявка WO/2002/047257
13. Патентная заявка WO/2006/068455
14. Патент Японии JP 51-112253
15. Патент США №3.366.889, fig.1
16. Патентная заявка КР 2005004511
17. Патент США №4.689.579, fig.4
18. Патент Японии JP 53-17051
19. Патент ЕР 2149989, fig.4