КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ
CASCODE 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.).
y
В современной микроэлектронике широко применяются каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, фазорасщепителей, СВЧ усилителей и т.п. [1-21]. Коэффициент усиления по напряжению (K) таких ДУ зависит прежде всего от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи выходных транзисторов.
При использовании SiGe-технологических процессов напряжение питания ДУ составляет 2,0÷2,5 B, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которое не должны превышать единиц килоом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4600893 fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания.
у.прот
Существенный недостаток известного ДУ, фиг.1, который также присутствует в патентах [1-14], состоит в том, что при использовании резисторов коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (К) получается небольшим:
9
где R - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
э1
r - сопротивление эмиттерного перехода i-го входного транзистора ДУ.
9
э
у.прот
Например, при R=1 кОм и r=25 Ом коэффициент усиления ДУ-прототипа K≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.
9
7
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R=R=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны с первым 11 источником питания, вход первого 13 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 13 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход второго 14 токового зеркала подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема ДУ-прототипа фиг.1, а на фиг.4 - заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НЛП «Пульсар».
у.прот
На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3 и фиг.4) от частоты. Данные графики показывают, что заявляемый ДУ, несмотря на применение низкоомной нагрузки (резисторов нагрузки 1 кОм), имеет коэффициент усиления по напряжению на 38 дБ (почти в сто раз) лучше в сравнении с K известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны с первым 11 источником питания, вход первого 13 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 13 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход второго 14 токового зеркала подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1. Входной дифференциальный каскад 1 выполнен в частном случае на базе входных транзисторов 15, 16 и источнике тока 17.
у
В качестве токовых зеркал 13 и 14 могут применяться типовые схемотехнические решения, описанные в технической литературе. Для получения предельных K в схеме фиг.2 необходимо выбирать коэффициент передачи по току токовых зеркал несколько больше единицы.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 17. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 по выходам Вых.2 и Вых. 1 определяется по формулам:
н.экв.2
н.экв.1
где R, R - эквивалентные сопротивления в узлах «Вых.2» и «Вых.1» соответственно;
э
r - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 15 и 16.
н.экв.2
н.экв.1
вых.2
вых.1
Причем R и R как выходные сопротивления при одновременном изменении u и u можно найти из выражения:
где
В последних формулах:
i13
K≈1 - коэффициент усиления по току первого 13 токового зеркала;
вых
вых.1
вых.2
u=u=u - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:
5
4
где α=α=0,98÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 4 и 5 в схеме с общей базой.
9
7
у
Поэтому при R=R выигрыш по K в схеме фиг.2
i.13
i.13
9
7
у.з
В практических схемах K всегда меньше единицы (K=0,9÷0,99). Тем не менее, при R=R выигрыш по K получается значительным (фиг.5):
Однако, если учесть, что транзистор 2 имеет некоторое выходное сопротивление
5
16
i.13
5
-3
где µ≈µ≈10 - коэффициент внутренней обратной связи транзисторов 5 и 16, то в идеальном случае при K=1, α=1 коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 не может превышать значений:
Следует обратить внимание на две замечательные особенности предлагаемого ДУ.
у.3.max
у.3.max
Во-первых, предельный K в схеме фиг.2 может достигать значений K=110-120 дБ, что достаточно для многих применений.
Во-вторых, в качестве входного дифференциального каскада 1 может применяться широкий спектр классических входных каскадов (с местной обратной связью и без нее, с цепями защиты входных транзисторов, на составных и полевых транзисторах, на n-p-n и p-n-р транзисторах (так называемый «перегнутый» каскод и т.п.). Это придает схеме фиг.2 высокую универсальность.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №3660773.
2. Патент Франции №1484340.
3. Патент ФРГ №1214733.
4. Патент Англии №1520085.
5. Патент США №3482177.
6. Патент Англии №1212342 Н3Т.
7. Патент ФРГ №1537590.
8. Патент Франции №1548008.
9. Патент ФРГ №23418455.
10. Патент США №5185582 fig.1.
11. Патент США №4151483 fig.3.
12. Патент Японии JP 61264806.
13. А.св. СССР №427451.
14. Патент США №5568092.
15. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001. - С.363, быстродействующий прецизионный компаратор с ТТЛ-выходом и триггером выборки-хранения.
16. Патентная заявка США №2010/0007419 fig.3, fig.14.
17. Аналоговые и цифровые интегральные схемы [Текст] / С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Б.П.Кудряшов; под ред. С.В.Якубовского. - М.: Сов. радио, 1979, 336 с. - С.218, рис.4.9.
18. Авт.св. СССР 970638.
19. Патент США №6.529.075.
20. Патент США №4600893.
21. Патентная заявка США 2006/0181347.