ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ КМОП-УСИЛИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области радиотехники и электроники и может быть использована в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.).
Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) с активной нагрузкой, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем. ДУ данного класса в основном применяются в качестве входных каскадов ОУ из-за простоты их реализации. Известно, что коэффициент усиления ДУ определяется в основном коэффициентом усиления входных транзисторов, который увеличивается при увеличении длинны канала, и уменьшении тока, протекающего через транзистор /1/:
,
GS
t
D
где V - напряжение затвор-исток, V - пороговое напряжение, λ - коэффициент модуляции длины канала, K - крутизна, I - ток стока, L - длина канала.
Однако, при увеличении длинны канала и уменьшении тока существенно ухудшается частотная характеристика транзистора. В короткоканальном приближении частота единичного усиления определяется по формуле:
,
нас
где µ - подвижность носителей в канале, E - параметр, определяющий критическое поле. Поэтому для повышения коэффициента усиления ДУ применяют другие методы, например, каскодное включение нагрузочных транзисторов или дополнительные каскады с использованием цепей коррекции.
Российские патенты на изобретения содержат ряд технических решений для увеличения коэффициента усиления ДУ /2÷5/. Однако повышение коэффициента усиления в них достигается путем каскодного включения транзисторов, что не позволяет использовать низкие значения напряжения питания, либо с использованием дополнительных каскадов, ухудшающих быстродействие схемы.
Наиболее близким по технической сущности прототипом предлагаемой полезной модели является техническое решение, описанное в справочнике «Проектирование аналоговых КМОП-микросхем» В.И. Эннса и Ю.М. Кобзева (стр. 161, рис. 3.33(б)) /1/. Данный ДУ включает: первый и второй входные p-МОП-транзисторы (1) и (2), затворы которых соединены с первым и вторым входами усилителя (3) и (4), а изолирующие карманы с первой шиной питания (5); токостабилизирующий двухполюсник (6), включенный между объединенными истоками входных транзисторов (1) и (2), и первой шиной питания (5); первый и второй нагрузочные n-МОП-транзисторы (7) и (8) с объединенными затворами, истоки и изолирующие карманы которых соединены со второй шиной питания (9), а объединенные затворы n-МОП-транзисторов (7) и (8) и сток первого n-МОП-транзистора (7), соединены со стоком первого входного p-МОП-транзистора (1); сток второго входного p-МОП-транзистора (2) соединен со стоком второго n-МОП-транзистора (8) и с выходом дифференциального усилителя (10).
Недостатком описанного ДУ является низкий коэффициент усиления по напряжению, особенно при малом напряжении питания.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение коэффициента усиления по напряжению ДУ, примерно в пять раз без ухудшения его частотной характеристики.
Согласно предлагаемой полезной модели, поставленная задача решается тем, что в КМОП-дифференциальном усилителе, включающем первый и второй входные p-МОП-транзисторы, затворы которых соединены с первым и вторым входами усилителя, а изолирующие карманы - с первой шиной питания, токостабилизирующий двухполюсник, включенный между объединенными истоками входных транзисторов, и первой шиной питания, первый и второй нагрузочные n-МОП-транзисторы с объединенными затворами, истоки и изолирующие карманы которых соединены со второй шиной питания, а объединенные затворы n-МОП-транзисторов и сток первого n-МОП-транзистора соединены со стоком первого входного p-МОП-транзистора, сток второго входного p-МОП-транзистора соединен со стоком второго n-МОП-транзистора и с выходом дифференциального усилителя, отличающийся тем, что: последовательно с первым и вторым нагрузочными n-МОП-транзисторами включены дополнительные нагрузочные n-МОП-транзисторы со встроенным каналом, соответственно, причем истоки дополнительных n-МОП-транзисторов соединены со стоками нагрузочных n-МОП-транзисторов, соответственно, объединенные затворы всех n-МОП-транзисторов соединены со стоком дополнительного входного p-МОП-транзистора, а все объединенные карманы n-МОП-транзисторов соединены со второй шиной питания, сток первого дополнительного нагрузочного n-МОП-транзистора соединен со стоком дополнительного p-МОП-транзистора, а сток второго нагрузочного n-МОП-транзистора соединен со стоком дополнительного третьего p-МОП-транзистора и с выходом дифференциального усилителя (10), объединенные истоки дополнительных входных p-МОП-транзисторов через второй токостабилизирующий двухполюсник подключены к первой шине питания, затворы дополнительных входных p-МОП-транзисторов подключены к первому и второму входам усилителя, соответственно.
На фиг. 1 представлена схема КМОП-дифференциального усилителя с повышенным коэффициентом усиления.
На фиг. 2 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению для прототипа и предлагаемой полезной модели.
КМОП-дифференциальный усилитель (фиг. 1), включающий: первый и второй входные p-МОП-транзисторы (1) и (2), затворы которых соединены с первым и вторым входами усилителя (3) и (4), а изолирующие карманы с первой шиной питания (5); токостабилизирующий двухполюсник (6), включенный между объединенными истоками входных транзисторов (1) и (2), и первой шиной питания (5); первый и второй нагрузочные n-МОП-транзисторы (7) и (8) с объединенными затворами, истоки и изолирующие карманы которых соединены со второй шиной питания (9); последовательно с первым и вторым нагрузочными n-МОП-транзисторами (7) и (8) включены дополнительные нагрузочные n-МОП-транзисторы со встроенным каналом (11) и (12), соответственно, причем, истоки дополнительных n-МОП-транзисторов (11) и (12) соединены со стоками нагрузочных n-МОП-транзисторов (7) и (8), соответственно; объединенные затворы всех n-МОП-транзисторов (7), (8), (11), (12) соединены со стоком дополнительного входного p-МОП-транзистора (13), а все объединенные карманы n-МОП-транзисторов соединены со второй шиной питания (9); сток n-МОП-транзистора (11) соединен со стоком дополнительного p-МОП-транзистора (13), а сток n-МОП-транзистора (12) соединен со стоком дополнительного p-МОП-транзистора (14) и с выходом усилителя (10), а объединенные стоки транзисторов (2) и (8) к выходу усилителя не подключены; объединенные истоки дополнительных входных p-МОП-транзисторов (13) и (14) через второй токостабилизирующий двухполюсник (15) подключены к первой шине питания (5); затворы дополнительных входных p-МОП-транзисторов (13) и (14) подключены к первому и второму входам усилителя (3) и (4) соответственно.
Технический результат достигается за счет включения дополнительного входного каскада усиления, состоящего из транзисторов (1) и (2) в нагрузочную цепь токового зеркала, состоящего из транзисторов (7) и (8). Таким образом, параллельное включение двух каскадов обеспечивает большее усиление ДУ за счет дополнительной передаточной проводимости транзисторов (1) и (2). Коэффициент усиления ограничивается выходной проводимостью транзисторов (3) и (4), поэтому крутизна этих транзисторов должна быть меньше, чем крутизна транзисторов (1) и (2). Для того, чтобы транзисторы (11) и (12) работали в пологой области, необходимо их сделать со встроенным каналом. Такое включение транзисторов описанное в /6/, обеспечивает большее выходное сопротивление каскода.
На фиг. 2 представлены амплитудно-частотные характеристики коэффициента усиления, полученные при моделировании, для предлагаемой полезной модели и технического решения, выбранного в качестве прототипа. По приведенным графикам можно судить о том, что коэффициент усиления по напряжению предлагаемой полезной модели улучшается на 10 дБ в сравнении с коэффициентом усиления прототипа. Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение полезной модели демонстрирует преимущество по коэффициенту усиления по напряжению в сравнении с известным дифференциальным усилителем.
Реализуемость полезной модели подтверждается результатами моделирования с использованием лицензированных средств САПР фирмы CadenceDesignSystems. Источники информации:
1. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектированиеаналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика / Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М: Горячая линия - Телеком. - 2005. - 454 с.: ил.
2. Патент РФ 2458455.
3. Патент РФ 2468500.
4. Патент РФ 2419192.
5. Патент РФ 2439783.
6. С. Galup-Montoro, M.С. Schneider, and I.J.В. Loss, «Series-parallel association of FET's for high gain and high frequency applications», IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 29, pp. 1094-1101, Sep. 1994.