ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КАСКАД С ПОВЫШЕННЫМ УСИЛЕНИЕМ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
DIFFERENTIAL STAGE WITH INCREASED VOLTAGE GAIN

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 каскодные дифференциальные каскады (ДК) с резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов [1-13]. 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 US 5.568.092 fig.1.
п
п
y
ymax
п
y
ДН
ДН
Существенный недостаток известного ДК, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], 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 высокомными. 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
y
дн
дн
эб
Для интегральных транзисторов 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 U между выводами такой динамической нагрузки более чем 2U≥1,6 В. При низковольтном питании это неприемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование р-n-р транзисторов. Для других технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение р-n-р транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДК неэффективны.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДК при низковольтном питании.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном каскаде с повышенным усилением по напряжению (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8, предусмотрены новые элементы и связи - база выходного транзистора 4 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения 8, а коллектор связан с шиной источника питания 7.
На чертеже фиг.1 показана схема ДК-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.3 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 приведена схема ДК в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 представлена схема ДК (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар.
y
График фиг.5 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (K) ДК (фиг.4) для выхода буферного усилителя 5.
Дифференциальный каскад (фиг.1), содержит входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8. При этом база выходного транзистора соединена 4 со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения (8), а коллектор связан с шиной источника питания 7.
На чертеже фиг.2 входной параллельно-балансный каскад 1 содержит входные транзисторы 11, 12 и источник тока 13, устанавливающий их статические режимы.
В схеме фиг.2 буферный усилитель 5 реализован в частном случае на транзисторе 13, стабилитроне 14 и источнике тока 15, а параллельно дополнительному резистору 9 включен корректирующий конденсатор 19.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор дополнительного транзистора 10 связан с шиной источника питания 7 через дополнительный резистор нагрузки 16 и подключен к вспомогательному 17 выходу устройства через вспомогательный 18 буферный усилитель. Это позволяет реализовать второй противофазный выход 17 и решить, таким образом, задачи построения ДК с парафазным выходом.
Рассмотрим работу схемы фиг.2.
вх
э
k
Изменение u приводит к приращению эмиттерных (i) и коллекторных (i) токов транзисторов 11, 12, 4:
T
где φ≈25 мВ - температурный потенциал;
э
0
- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12 при статическом токе эмиттера I=2I.
3
3
кl2
к12
9
э4.10
Напряжение U на токовом выходе 3 (u=u≈iR), являющееся входным напряжением для каскада на транзисторах 4 и 10, создает первую i составляющую приращения тока эмиттера транзистора 4:
где .
k4
Поэтому суммарное приращение коллекторного тока i транзистора 4 и выходное напряжение ДК
у
где К - коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.2).
y
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению K заявляемого ДУ превышает  ДК-прототипа в N-раз.
где
- коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.1).
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5). Заявляемый ДК имеет более чем на порядок высокое значение коэффициента усиления по напряжению и двухканальную архитектуру - передачу сигнала на выход по высокочастотному (транзисторы 11, 4) и относительно высокочастотному (транзисторы 12, 4) каналам, что положительно сказывается на обеспечении устойчивости ДК в схемах с отрицательной обратной связью, позволяет в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечить коррекцию амплитудно-частотной характеристики путем шунтирования дополнительного резистора 9 специальным конденсатором.
Таким образом, заявляемый дифференциальный каскад имеет ряд преимуществ в сравнении с ДК-прототипом.
Литература
1. Патентная заявка США 2010/007419, fig.3.
2. Патент США №7.737.783.
3. Патент США №5.568.092, fig.1.
4. Патент США №6.100.759, fig.3.
5. Патентная заявка США 2002/0093380, fig.1.
6. Патентная заявка США 2009/0195312, fig.1.
7. Патент США №3.541.465, fig.3.
8. Патент США №5.440.271.
9. Патент США №6.262.628, fig.14В.
10. Патентная заявка США 2006/0181347, fig.2.
11. Патентная заявка США 2006/0044064, fig.2.
12. Патент США №6.011.431, fig.3.
13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.