дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением
Классы МПК: | H03F3/45 дифференциальные усилители |
Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (RU), Серебряков Александр Игоревич (RU), Будяков Петр Сергеевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-02-20 публикация патента:
10.10.2010 |
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (операционных усилителях, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.). Технический результат: увеличение входного сопротивления в широком диапазоне частот без ухудшения коэффициента усиления по напряжению. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1), первый (2) и второй (3) входы которого соединены с соответствующими входами (4) и (5) ДУ и базами первого (6) и второго (7) выходных транзисторов (Т), а первый (8) и второй (9) токовые выходы ДК (1) - подключены к первому (10) и второму (11) токостабилизирующим двухполюсникам. Эмиттер первого (6) выходного Т связан со вторым (9) токовым выходом ДК (1), а эмиттер второго (7) выходного Т соединен с первым (8) токовым выходом ДК (1). 6 ил.
Формула изобретения
Дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением, содержащий входной дифференциальный каскад (1), первый (2) и второй (3) входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя (4) и (5) и базами первого (6) и второго (7) выходных транзисторов, а первый (8) и второй (9) токовые выходы подключены к первому (10) и второму (11) токостабилизирующим двухполюсникам, отличающийся тем, что эмиттер первого (6) выходного транзистора связан со вторым (9) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а эмиттер второго (7) выходного транзистора соединен с первым (8) токовым выходом входного дифференциального каскада (1).
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (операционных усилителях, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).
Известны широкополосные дифференциальные усилители (ДУ) на основе параллельно-балансных каскадов, которые стали основой построения современных аналоговых микросхем [1, 2]. Проблема улучшения их параметров - входного сопротивления, частотных свойств - относится к числу основных проблем современной аналоговой микросхемотехники.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 5.424.681, fig. 8, содержащий входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы - подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет небольшие значения входного сопротивления (Rвх) для переменного тока, зависящие от статического тока эмиттера Iэ и коэффициента усиления по току базы ( ) входных транзисторов. Для повышения Rвх приходится уменьшать Iэ - переводить транзисторы в микрорежим, что уменьшает коэффициент усиления ДУ по напряжению (Kу ). Второй способ повышения Rвх - введение резисторов Rэ в эмиттерной цепи входных транзисторов, которые также уменьшают Kу.
Основная цель предполагаемого изобретения состоит в увеличении входного сопротивления дифференциального усилителя в широком диапазоне частот без ухудшения его коэффициента усиления по напряжению.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам, предусмотрены новые связи - эмиттер первого 6 выходного транзистора связан со вторым 9 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На фиг.1 приведена схема ДУ-прототипа.
На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг.3 показаны переменные токи в схеме фиг.2 для положительной полуволны входного напряжения.
На фиг.4 показана схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.5 показана схема фиг.3 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП НПП «Пульсар».
На фиг.6 показаны графики зависимости входного сопротивления ДУ-прототипа (фиг.4) и новой схемы (фиг.5) от частоты.
Предлагаемый дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 и второй 3 входы которого соединены с соответствующими входами дифференциального усилителя 4 и 5 и базами первого 6 и второго 7 выходных транзисторов, а первый 8 и второй 9 токовые выходы подключены к первому 10 и второму 11 токостабилизирующим двухполюсникам. Эмиттер первого 6 выходного транзистора связан со вторым 9 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а эмиттер второго 7 выходного транзистора соединен с первым 8 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.
На фиг.2 коллекторы транзисторов 6 и 7 являются токовыми выходами заявляемого устройства 12 и 13, к которым могут быть подключены нагрузки 17 и 18 (фиг.3), а входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 14 и 15 и источнике тока 16.
Рассмотрим работу схемы фиг.3.
При подаче на вход 4 переменного напряжения uвх в цепи входа 2 входного параллельно-балансного каскада 1 появляется приращение тока i б14:
где iэ14 - приращение тока эмиттера транзистора 14 входного дифференциального каскада 1;
14 - коэффициент усиления по току базы транзистора 14 входного дифференциального каскада 1.
Причем
где
т 25 мВ - температурный потенциал;
I16 - суммарный ток общей эмиттерной цепи транзисторов 14 и 15.
Таким образом
Так как в эмиттерную цепь каскада 1 включен источник не изменяющегося под действием сигнала тока I16=I0=const, то ток эмиттера и, следовательно, ток коллектора транзистора 15 будут связаны с током iэ14 следующими соотношениями:
где 15 0,98-0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 15 входного дифференциального каскада 1.
При этом токи в выходных узлах 8 и 9 будут иметь равную величину, но противоположные направления, а все приращение тока iк15 передается в эмиттер транзистора 6:
Поэтому ток базы транзистора 6
Как следствие, во входном узле 4 произойдет вычитание двух близких по величине, но противоположных по направлению переменных токов iб14 и iб6:
Учитывая, что 15 0,98÷0,99 1, а транзисторы в заявляемой схеме имеют близкие по величине коэффициенты усиления по току базы 14 6 из (7) получаем, что суммарный входной ток iвх.4 и, следовательно, входная проводимость заявляемого устройства могут быть близки к нулю
Это является существенным преимуществом усилителя фиг.3.
С другой стороны, входная проводимость усилителя-прототипа фиг.1
Поэтому заявляемый усилитель имеет по сравнению с прототипом в Nвх раз большее входное сопротивление, где
Можно показать, что повышение R вх в Nвх раз в заявляемом устройстве обеспечивается без снижения коэффициента усиления по напряжению Kу =uвых/uвх.
Действительно, в схеме фиг.3, так же как и в ДУ-прототипе фиг.1, для дифференциального выхода
где Rн.экв R17+R18 - эквивалентное сопротивление нагрузки.
Поэтому с учетом (2) можно для сравниваемых схем фиг.1 и фиг.3 найти произведение Q
Следовательно, обобщенный показатель качества в ДУ фиг.3 Q=KуRвх в Nвх раз больше, чем в ДУ-прототипе, где Nвх>>1.
Полученные выше аналитические оценки подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.6) схем фиг.4 и фиг.5 - заявляемый ДУ имеет в 21 раз большее значение входного сопротивления.
Источники информации
1. Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры / А.Г.Алексеенко. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Сов. радио, 1977. - 408 с.
2. Проектирование и применение операционных усилителей / Под ред. Дж.Грэма, Дж.Тоби, Л.Хьюлсмана // Пер. с англ. В.И.Левина и И.М.Хейфеца под. ред. к.т.н. И.Н.Теплюка. - М.: Изд-во Мир, 1974.
3. Патент США № 5.424.681, fig.8.
Класс H03F3/45 дифференциальные усилители
избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном - патент 2525744 (20.08.2014) | |
мультидифференциальный операционный усилитель - патент 2523124 (20.07.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2520418 (27.06.2014) | |
составной транзистор - патент 2519563 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519558 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519446 (10.06.2014) | |
гибридный дифференциальный усилитель - патент 2519373 (10.06.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2519035 (10.06.2014) | |
инструментальный усилитель - патент 2519032 (10.06.2014) | |
дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом - патент 2517699 (27.05.2014) |