каскодный дифференциальный усилитель

Формула изобретения

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения (6), эмиттер первого (4) выходного транзистора связан с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (5) выходного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (11) и второй (12) источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада (1) связана со вторым (12) источником питания, отличающийся тем, что в схему введены первое (13) и второе (14) токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны с первым (11) источником питания, вход первого (13) токового зеркала соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки, вход второго (14) токового зеркала соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки, выход первого (13) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а выход второго (14) токового зеркала подключен к первому (2) токовому выходу входного дифференциального каскада (1).

Описание изобретения к патенту

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 широко применяются каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементов эмиттерно-связанной логики, драйверов линий связи, элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, фазорасщепителей, СВЧ усилителей и т.п. [1-21]. Коэффициент усиления по напряжению (K_y ) таких ДУ зависит прежде всего от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи выходных транзисторов.

При использовании SiGe-технологических процессов напряжение питания ДУ составляет 2,0÷2,5 B, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которое не должны превышать единиц килоом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США № 4600893 fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания.

Существенный недостаток известного ДУ, фиг.1, который также присутствует в патентах [1-14], состоит в том, что при использовании резисторов коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (К_у.прот) получается небольшим:

где R₉ - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;

r_э1 - сопротивление эмиттерного перехода i-го входного транзистора ДУ.

Например, при R₉=1 кОм и r_э=25 Ом коэффициент усиления ДУ-прототипа K_у.прот 20. В большинстве случаев этого недостаточно.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R ₉=R₇=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны с первым 11 источником питания, вход первого 13 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 13 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход второго 14 токового зеркала подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.

На фиг.3 показана схема ДУ-прототипа фиг.1, а на фиг.4 - заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НЛП «Пульсар».

На фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.3 и фиг.4) от частоты. Данные графики показывают, что заявляемый ДУ, несмотря на применение низкоомной нагрузки (резисторов нагрузки 1 кОм), имеет коэффициент усиления по напряжению на 38 дБ (почти в сто раз) лучше в сравнении с K_у.прот известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем цепь эмиттерного питания входного дифференциального каскада 1 связана со вторым 12 источником питания. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общие эмиттерные выходы которых связаны с первым 11 источником питания, вход первого 13 токового зеркала соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки, вход второго 14 токового зеркала соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки, выход первого 13 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход второго 14 токового зеркала подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1. Входной дифференциальный каскад 1 выполнен в частном случае на базе входных транзисторов 15, 16 и источнике тока 17.

В качестве токовых зеркал 13 и 14 могут применяться типовые схемотехнические решения, описанные в технической литературе. Для получения предельных K_у в схеме фиг.2 необходимо выбирать коэффициент передачи по току токовых зеркал несколько больше единицы.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.

Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 17. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 по выходам Вых.2 и Вых. 1 определяется по формулам:

где R_н.экв.2, R_н.экв.1 - эквивалентные сопротивления в узлах «Вых.2» и «Вых.1» соответственно;

r_э - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 15 и 16.

Причем R_н.экв.2 и R_н.экв.1 как выходные сопротивления при одновременном изменении u_вых.2 и u_вых.1 можно найти из выражения:

где

В последних формулах:

K_i13 1 - коэффициент усиления по току первого 13 токового зеркала;

u_вых=u_вых.1=u_вых.2 - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.

Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:

где ₅= ₄=0,98÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 4 и 5 в схеме с общей базой.

Поэтому при R₉=R₇ выигрыш по K_у в схеме фиг.2

В практических схемах K_i.13 всегда меньше единицы (K_i.13=0,9÷0,99). Тем не менее, при R₉=R₇ выигрыш по K_у.з получается значительным (фиг.5):

Однако, если учесть, что транзистор 2 имеет некоторое выходное сопротивление

где µ₅ µ₁₆ 10^-3 - коэффициент внутренней обратной связи транзисторов 5 и 16, то в идеальном случае при K_i.13 =1, ₅=1 коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 не может превышать значений:

Следует обратить внимание на две замечательные особенности предлагаемого ДУ.

Во-первых, предельный K_у.3.max в схеме фиг.2 может достигать значений K _у.3.max=110-120 дБ, что достаточно для многих применений.

Во-вторых, в качестве входного дифференциального каскада 1 может применяться широкий спектр классических входных каскадов (с местной обратной связью и без нее, с цепями защиты входных транзисторов, на составных и полевых транзисторах, на n-p-n и p-n-р транзисторах (так называемый «перегнутый» каскод и т.п.). Это придает схеме фиг.2 высокую универсальность.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США № 3660773.

2. Патент Франции № 1484340.

3. Патент ФРГ № 1214733.

4. Патент Англии № 1520085.

5. Патент США № 3482177.

6. Патент Англии № 1212342 Н3Т.

7. Патент ФРГ № 1537590.

8. Патент Франции № 1548008.

9. Патент ФРГ № 23418455.

10. Патент США № 5185582 fig.1.

11. Патент США № 4151483 fig.3.

12. Патент Японии JP 61264806.

13. А.св. СССР № 427451.

14. Патент США № 5568092.

15. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-ХХ1», 2001. - С.363, быстродействующий прецизионный компаратор с ТТЛ-выходом и триггером выборки-хранения.

16. Патентная заявка США № 2010/0007419 fig.3, fig.14.

17. Аналоговые и цифровые интегральные схемы [Текст] / С.В.Якубовский, Н.А.Барканов, Б.П.Кудряшов; под ред. С.В.Якубовского. - М.: Сов. радио, 1979, 336 с. - С.218, рис.4.9.

18. Авт.св. СССР 970638.

19. Патент США № 6.529.075.

20. Патент США № 4600893.

21. Патентная заявка США 2006/0181347.