ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ УСИЛЕНИЯ
DIFFERENTIAL AMPLIFIER WITH INCREASED AMPLIFICATION FACTOR

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), компараторах).
у
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Однако SiGe технический процесс SGB25VD, внедряемый в настоящее время в ряде российских предприятий для производства РЭА нового поколения, не обеспечивает возможности построения схем с p-n-p транзисторами. Это не позволяет применять традиционные активные нагрузки в ОУ СВЧ-диапазона. Как следствие, в качестве элементов коллекторной цепи входного каскада ОУ весьма часто разрешается использовать только пассивные элементы - резисторы [1-15]. В конечном итоге это требование ограничивает коэффициент усиления по напряжению (К) входного дифференциального каскада ОУ и всей схемы ОУ в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4.365.207 fig. 2 фирмы Hitschi. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, база которого подключена к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и через первый двухполюсник нагрузки 5 связана с первой 6 шиной источника питания, второй 7 двухполюсник нагрузки, связанный с эмиттером выходного транзистора 4 и выходом устройства 8.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации двухполюсника нагрузки 5 в виде низкоомного резистора (500-1000 Ом) его коэффициент усиления получается небольшим.
5
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомного первого двухполюсника нагрузки (например, R=1÷2 кОм).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, база которого подключена к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и через первый двухполюсник нагрузки 5 связана с первой 6 шиной источника питания, второй 7 двухполюсник нагрузки, связанный с эмиттером выходного транзистора 4 и выходом устройства 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 9, второй 10 и третий 11 дополнительные транзисторы, базы первого 9 и второго 10 дополнительных транзисторов объединены и через первую 12 цепь согласования потенциалов соединены с эмиттером третьего 11 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к первой 6 шине источника питания, эмиттеры первого 9 и второго 10 дополнительных транзисторов объединены и через вторую 13 цепь согласования потенциалов подключены ко второй 14 шине источника питания, коллектор первого 9 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру выходного транзистора 4, а коллектор выходного транзистора 4 связан с базой третьего 11 дополнительного транзистора и соединен с первой 6 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 15.
Схема заявляемого устройства, соответствующего изобретению, показана на фиг.2.
5
5
у
На чертежах фиг.3 - фиг.4 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.3) и схема заявляемого ДУ (фиг.4) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на чертеже фиг.5 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, фиг.4) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что несмотря на применение более низкоомного двухполюсника нагрузки 5 (R=1,8 кОм вместо R=3,0 кОм в схеме фиг.3) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается на 17,6 дБ в сравнении с К известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
На фиг.6 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, фиг.4) с элементами частотной коррекции.
На фиг.7 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3, фиг.4) со 100% отрицательной обратной связью и с элементом частотной коррекции.
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, база которого подключена к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и через первый двухполюсник нагрузки 5 связана с первой 6 шиной источника питания, второй 7 двухполюсник нагрузки, связанный с эмиттером выходного транзистора 4 и выходом устройства 8. В схему введены первый 9, второй 10 и третий 11 дополнительные транзисторы, базы первого 9 и второго 10 дополнительных транзисторов объединены и через первую 12 цепь согласования потенциалов соединены с эмиттером третьего 11 дополнительного транзистора, коллектор которого подключен к первой 6 шине источника питания, эмиттеры первого 9 и второго 10 дополнительных транзисторов объединены и через вторую 13 цепь согласования потенциалов подключены ко второй 14 шине источника питания, коллектор первого 9 дополнительного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 10 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру выходного транзистора 4, а коллектор выходного транзистора 4 связан с базой третьего 11 дополнительного транзистора и соединен с первой 6 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 15.
5
7
На фиг.2 в соответствии с п.2 формулы изобретения сопротивления первого 5 и второго 7 двухполюсников нагрузки выбираются на основе соотношения R≈R.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства (фиг.2).
ki
В статическом режиме коллекторные токи (I) транзисторов 16, 17 устанавливаются двухполюсником 18:
0
18
где I=I/2.
0
Через двухполюсник нагрузки 5 при введении общей отрицательной обратной связи протекает статический ток, равный 2I, что обеспечивается выбором его сопротивления.
(+)
вx
2
н
2
н
Если на вход Bx.1 подается напряжение u, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 16 и уменьшение коллекторного тока транзистора 17. Как следствие, увеличивается напряжение на токовом выходе 2 (u>0) и напряжение в нагрузке 7 (u≈u). При этом за счет отрицательной обратной связи через транзисторы 11 и 10 приращение тока i обеспечивается транзистором 10, так как эмиттерный ток транзистора 4 равен нулю
ki
где i - коллекторный ток i-го транзистора.
5
7
5
k9
Поэтому в узле «А» (токовый выход 2) при R=R происходит компенсация двух близких по величине токов - тока i через двухполюсник 5 и коллекторного тока транзистора 9 (i):
При этом разность этих токов
5
7
где R, R - сопротивления двухполюсников нагрузки 5 и 7.
5
7
0
Если выбрать R=R=R, то в этом случае эффективное сопротивление в цепи первого 2 токового выхода существенно возрастает
Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.2) увеличивается
где  - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 16 и 17;
т
φ=26 мВ - температурный потенциал.
5
7
Причем это обеспечивается при использовании низкоомных резисторов в качестве двухполюсников нагрузки 5 и 7 (R=R=1,8 кОм), а также при низковольтном напряжении питания (±2÷2,5 В).
Представленные на фиг.5, фиг.6 графики подтверждают данные теоретические выводы.
у
Таким образом, предлагаемое устройство при его реализации в рамках техпроцесса SGB25VD имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления по напряжению К в сравнении с известным ДУ.
Литература
1. Патент США №4.536.717, fig.1.
2. Патент США №4.691.174, fig.1.
3. Патент США №4.714.896, fig.3.
4. Патент США №4.354.161, fig.4.
5. Патент США №4.365.207, fig.1.
6. Патент США №3.783.307, fig.1.
7. Патент Японии JP 51-112253.
8. Патент СА 02072436 fig.2.
9. Патент США №5.262.688.
10. Патент Японии 54-102949, кл. 98(5) А21.
11. Патент США №4.847.519, fig.2.
12. Патент США №4.689.579.
13. Патент США №6.396.346.
14. Патентная заявка США 2006/0012432, fig.4A.
15. Патент США №4.468.628.