ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С МАЛЫМ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH LOW SUPPLY VOLTAGE

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, операционных усилителях, фазорасщепителях, компараторах и т.п.).
В современной микроэлектронике используются дифференциальные усилители (ДУ), реализованные на базе классических эмиттерных повторителей и токовых зеркал [1-10]. На их основе реализуется достаточно низковольтные операционные усилители в том числе с так называемым rail-to-rail выходом, обеспечивающим изменение выходного напряжения до уровня напряжений питания.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5.889.665 fig.1. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам устройства, эмиттер первого 1 входного транзистора через первый 5 вспомогательный резистор соединен со входом первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, эмиттер второго 2 входного транзистора через второй 8 вспомогательный резистор соединен со входом второго 9 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, выход второго 9 токового зеркала подключен к выходу устройства 10 и первому 11 выходу третьего 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он практически не работоспособен при организации на его основе дифференциального выхода, т.е. при симметричном включении нагрузки. Это не позволяет использовать известный ДУ в достаточно важном классе аналоговых микросхем - полностью дифференциальных усилителей.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в обеспечении работоспособности устройства при симметричном включении нагрузки.
ос.сф
Дополнительная задача - повышение коэффициента ослабления (К) входных синфазных сигналов.
Поставленные задачи решаются тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам устройства, эмиттер первого 1 входного транзистора через первый 5 вспомогательный резистор соединен со входом первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, эмиттер второго 2 входного транзистора через второй 8 вспомогательный резистор соединен со входом второго 9 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, выход второго 9 токового зеркала подключен к выходу устройства 10 и первому 11 выходу третьего 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - третье 12 токовое зеркало имеет второй 14 токовый выход, связанный со вторым 15 выходом устройства и выходом первого 6 токового зеркала, причем вход 16 третьего 12 токового зеркала соединен с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
На фиг.1 приведена схему ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1, п.2, п.3 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.
На фиг.4, 5, 6 приведены варианты выполнения третьего (фиг.4, 5), а также первого 6 (фиг.4) и второго 9 (фиг.6) токовых зеркал.
На фиг.7 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.8 - зависимость ее коэффициента усиления по напряжению от частоты.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, базы которых подключены к соответствующим первому 3 и второму 4 входам устройства, эмиттер первого 1 входного транзистора через первый 5 вспомогательный резистор соединен со входом первого 6 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, эмиттер второго 2 входного транзистора через второй 8 вспомогательный резистор соединен со входом второго 9 токового зеркала, согласованного с первой 7 шиной источника питания, выход второго 9 токового зеркала подключен к выходу устройства 10 и первому 11 выходу третьего 12 токового зеркала, согласованного со второй 13 шиной источника питания. Третье 12 токовое зеркало имеет второй 14 токовый выход, связанный со вторым 15 выходом устройства и выходом первого 6 токового зеркала, причем вход 16 третьего 12 токового зеркала соединен с коллекторами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения коэффициент передачи по току третьего 12 токового зеркала от входа 16 на первый 11 и второй 14 токовые выходы приблизительно в 2 раза меньше, чем коэффициенты передачи по току первого 6 и второго 9 токовых зеркал.
Кроме этого на фиг.2 в соответствии с п.3 формулы изобретения параллельно первому 5 и второму 8 вспомогательным резисторам включены соответствующие первый 17 и второй 18 корректирующие конденсаторы.
На фиг.3 в соответствии с п.4 формулы изобретения введены третий 19 и четвертый 20 входные транзисторы, эмиттер третьего 19 входного транзистора соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, эмиттер четвертого 20 входного транзистора соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, коллекторы третьего 19 и четвертого 20 входных транзисторов подключены ко второй 13 шине источника питания, первый 10 выход устройства связан с объединенными базами третьего 19 и четвертого 20 входных транзисторов через последовательно соединенные первый 21 дополнительный буферный усилитель и первый 22 дополнительный резистор, а второй 15 выход устройства связан с объединенными базами третьего 19 и четвертого 20 входных транзисторов через последовательно соединенные второй 23 дополнительный буферный усилитель и второй 24 дополнительный резистор.
Примеры практической реализации токовых зеркал 6 (9) и 12 даны на фиг.4÷6.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2.
В статическом режиме эмиттерные токи входных транзисторов 1 и 2 устанавливаются двухполюсниками 5 и 8, а также за счет выбора напряжения питания 7.
с1
с2
с
5
8
5
8
2
14
8
5
5
5
8
8
5
8
1
Если на вход Вх.1 подается входное синфазное напряжение u=u=u, то это вызывает увеличение токов i и i через резисторы 5 и 8, которые передаются к выходам 15 и 10 через токовые зеркала 6 и 9. С другой стороны, токи i и i передаются в эмиттеры, а затем в коллекторы транзисторов 1 и 2 - на вход третьего токового зеркала 12. Коэффициенты передачи токового зеркала 12 равны /. Поэтому в цепи выходов 15 и 10 происходит взаимная компенсация токов i=0,5(i+i)≈i и i, а также i и 0,5(i+i)≈i. Как следствие, коэффициент ослабления входных синфазных сигналов возрастает.
у
у
Введение конденсаторов 17 и 18 повышает (в определенном диапазоне частот) коэффициент усиления ДУ по напряжению (К), так как на переменном токе двухполюсники 5 и 8 перестают влиять на К.
ос.сф
i1
i2
В схеме фиг.3 требования к коэффициенту передачи токового зеркала 12, при которых повышается К, изменяются (K=К=-1).
Таким образом, в отличие от известного ДУ предлагаемая схема имеет существенные преимущества.
Источники информации
1. Патент США №4.284.958.
2. Патент США №5.889.665, fig.1.
3. Патентная заявка США 2010/0159853.
4. Патентная заявка США 2004/145957.
5. Патентная заявка JP №2004/229303.
6. Патент США №5.589.831.
7. Патент SU №1133651.
8. Патентная заявка США 2006/0049877.
9. Патент США №7.538.616.
10. Патент США №6.980.055.