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 [1-25]. В конечном итоге это требование ограничивает коэффициент усиления по напряжению (K) 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 №4.418.290. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации двухполюсников нагрузки 5 и 6 в виде низкоомных резисторов (500-1000 Ом) его коэффициент усиления получается небольшим.
5
6
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении в 8-20 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании низкоомных двухполюсников нагрузки (например, R=R=700 Ом).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 13 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, базы связаны с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен через второй 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник с первой 4 шиной источника питания и подключен ко входу дополнительного неинвертирующего усилителя 15, выход которого соединен с объединенными базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2. На фиг.3, 4 показаны частные случаи реализации дополнительного неинвертирующего усилителя 15.
На фиг.5 - 6 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.5) и
5
6
у
схема заявляемого ДУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.7 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что несмотря на применение низкоомных двухполюсников нагрузки 5 и 6 (R=R=600 Ом) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается более чем на порядок (на 29,0 дБ) в сравнении с K известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.
кор
На фиг.8 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) с элементами частотной коррекции (С=4 пФ).
На фиг.9 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) со 100% отрицательной обратной связью без элементов частотной коррекции.
кор
На фиг.10 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) со 100% отрицательной обратной связью с элементом частотной коррекции (С=4 пФ).
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 13 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, базы связаны с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен через второй 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник с первой 4 шиной источника питания и подключен ко входу дополнительного неинвертирующего усилителя 15, выход которого соединен с объединенными базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов. В частном случае на фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18. Дополнительный неинвертирующий усилитель тока может выполняться на транзисторе 19 (фиг.3) или стабилитроне 20 (фиг.4).
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
кi
В статическом режиме коллекторные токи (I) транзисторов 16, 17 устанавливаются двухполюсником 18:
0
18
где I=I/2.
0
Через двухполюсники нагрузки 5 и 6 при введении общей отрицательной обратной связи протекают статические токи, равные 2I.
Определим коэффициент усиления по напряжению схемы ДУ фиг.2.
(+)
вх
3
3
2
2
Если на вход Bx.1 подается напряжение u, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 16 и уменьшение коллекторного тока транзистора 17. Как следствие, напряжение на токовом выходе 3 увеличивается (u>0). При этом за счет отрицательной обратной связи через дополнительный неинвертирующий усилитель 15 обеспечивает равенство u≈u, где u - приращение напряжения на первом 2 токовом выходе.
2
2
2
Изменение u приводит к изменению тока i через эквивалентное сопротивление r в цепи первого 2 токового выхода входного дифференциального каскада 1:
2
5
выx.2
выx.7
где r=R||R||R,
5
R - сопротивление двухполюсника нагрузки 5;
вых.2
R - выходное сопротивление входного дифференциального каскада 1 по первому 2 токовому выходу;
вых.7
R - выходное сопротивление транзистора 7.
Причем
эрли
где U - напряжение Эрли транзистора 7;
16
э17
т
18
r=r=2φ/I - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 16 и 17;
12
µ - коэффициент внутренней обратной связи транзистора 16.
2
Приращение тока i за счет отрицательной обратной связи через дополнительный неинвертирующий усилитель 15 поступает в коллектор транзистора 7 и далее на его выход - в цепь второго 3 токового выхода входного дифференциального каскада 1. Следует обратить внимание на то, что в заявляемой схеме вследствие ее структурных особенностей обеспечивается равенство переменных напряжений
3
2
3
Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация тока через r током через r=r.
2
3
3.экв
у
Если в частном случае выбрать r=r, то эквивалентное сопротивление в узле 3 (R), влияющее на K, будет практически определяться сопротивление нагрузки ДУ, приведенным к узлу 3.
Поэтому коэффициент усиления по напряжению предлагаемой схемы фиг.2 слабо зависит от сопротивлений двухполюсников 5 и 6, которые могут быть достаточно низкоомными.
у
Таким образом, в схеме фиг.2 на один-два порядка уменьшается влияние сопротивлений двухполюсников нагрузки 5 и 6 на коэффициент усиления K по напряжению ДУ.
у.max
5
6
В результате предлагаемое схемотехническое решение улучшает более чем на порядок K (на 29 дБ), причем это обеспечивается при использовании низкоомных резисторов в качестве двухполюсников 5 и 6 (R=R=600 Ом), а также при низковольтном напряжении питания (±2 В).
Представленные на фиг.7, 8, 9, 10 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 K в сравнении с известным ДУ.
Источники информации
1. Патент Франции №2409640.
2. Патент США №5.886.577.
3. Патент Англии GB 2008883.
4. Патентная заявка США US 2009/108882, fig.3.
5. Патент Японии JP 54079553.
6. Патент WO 9621271.
7. Патент США №4276485.
8. Патентная заявка US 2006/0181347, fig.2.
9. Патентная заявка WO 2009/042474A2, fig.5.
10. Патент США №6.396.346.
11. Патент США №4.001.608, fig.1.
12. Budyakov A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.
13. S.P.Voinigescu, et al. Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth, IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.
14. S.P.Voinigescu, et al. SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz, IEEE BCTM, p.1-8, Oct. 2006.
15. Патент США №4.274.394, фиг.2.
16. Патент США №3.619.797.
17. Патент США №3.622.902.
18. Патент США №3.440.554.
19. А.с. СССР №299013.
20. Патент Англии №1.175.329, Н3Т.
21. Патент США №3.304.512.
22. Патент США №4.371.93.
23. А.с. СССР №421105.
24. А.с. СССР №764100.
25. А.с. СССР №669471.