RU2284647C1

RU2284647C1 - Differential amplifier

Info

Publication number: RU2284647C1
Application number: RU2005104311/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; ков Алексей Сергеевич Буд (RU); Алексей Сергеевич Будяков; Сергей Владимирович Крюков (RU); Сергей Владимирович Крюков
Original assignee: Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса (ЮРГУЭС)
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-02-17
Publication date: 2006-09-27

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: device contains input differential cascade, first, second, third and fourth current mirrors, device additionally contains p-n-p and n-p-n additional transistors, while bases of these additional transistors are connected to main output of differential amplifier, emitter p-n-p of additional transistor is connected to output of first current mirror, and its collector is connected to input of fourth current mirror, and emitter of n-p-n additional transistor is connected to output of second current mirror, while its collector is connected to input of third current mirror.

EFFECT: increased output resistance and, as a result, increased voltage amplification coefficient in standby mode.

7 cl, 16 dwg

Description

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, операционных усилителях (ОУ)).The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps)).

Известны дифференциальные усилители (ДУ) на базе нескольких токовых зеркал, которые стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-21]. Однако они имеют недостаточно высокое собственное выходное сопротивление и, как следствие, небольшой коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода на выходе (т.е. при бесконечно большом сопротивлении нагрузки). Проблема повышения выходного сопротивления ДУ данного класса, которые широко используются в операционных усилителях с «минимальной электрической длиной», относящихся к числу наиболее широкополосных двухтактных структур, является одной из актуальных проблем современной аналоговой микросхемотехники.There are known differential amplifiers (DU) based on several current mirrors, which became the basis for the construction of many modern operational amplifiers [1-21]. However, they do not have a sufficiently high own output impedance and, as a result, a small voltage gain in the idle mode at the output (i.e., with an infinitely large load resistance). The problem of increasing the output resistance of the remote controls of this class, which are widely used in operational amplifiers with a “minimum electric length”, which are among the most broadband push-pull structures, is one of the urgent problems of modern analog microcircuitry.

Ближайшим прототипом (фиг.1, фиг.2) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель [Патент США №4404528, H 03 f 3/26, Патент Японии 53-25232, 98(5) А33, H 03 f 3/26], содержащий входной дифференциальный каскад, первое, второе, третье и четвертое токовые зеркала, причем вход первого токового зеркала соединен с основным выходом входного дифференциального каскада, согласованным с шиной положительного источника питания, вход второго токового зеркала соединен с основным выходом входного дифференциального каскада, согласованным с шиной отрицательного источника питания, а выходы третьего и четвертого токовых зеркал соединены с основным выходом дифференциального усилителя.The closest prototype (figure 1, figure 2) of the claimed device is a differential amplifier [US Patent No. 4,404,528, H 03 f 3/26, Japan Patent 53-25232, 98 (5) A33, H 03 f 3/26], containing input differential cascade, first, second, third and fourth current mirrors, the input of the first current mirror being connected to the main output of the input differential cascade matched to the bus of the positive power supply, the input of the second current mirror is connected to the main output of the input differential cascade matched to the negative busPower supply and the outputs of the third and fourth current mirrors are connected to the main output of the differential amplifier.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокое собственное выходное сопротивление в разомкнутом состоянии (R_вых), которое определяется величинами выходных сопротивлений применяемых токовых зеркал. Для современных интегральных транзисторов, например, ФГУП «Пульсар», выходное сопротивление типовых токовых зеркал лежит в диапазоне единиц-десятков килом, что не позволяет получить на базе известного ДУ большие коэффициенты усиления по напряжению:A significant drawback of the known remote control is that it does not have a high enough own output resistance in the open state (R _o ), which is determined by the values of the output resistances of the used current mirrors. For modern integrated transistors, for example, FSUE "Pulsar", the output impedance of typical current mirrors lies in the range of several tens of kilos, which does not allow obtaining large voltage amplification factors based on the known remote control:

где S - крутизна преобразования входного напряжения ДУ в его выходной ток.where S is the steepness of the conversion of the input voltage of the remote control into its output current.

Так, при типовых S=0,01 Ом^-1 входного дифференциального каскада можно получить К_у.max=100÷200.So, with typical S = 0.01 Ohm ^{-1 of the} input differential stage, K _y.max = 100 ÷ 200 can be obtained.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении выходного сопротивления ДУ на один-два порядка, что позволяет (при малой проводимости нагрузки) получить существенное улучшение коэффициента усиления по напряжению.The main objective of the invention is to increase the output resistance of the remote control by one or two orders of magnitude, which allows (with low load conductivity) to obtain a significant improvement in the voltage gain.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад, первое, второе, третье и четвертое токовые зеркала, причем вход первого токового зеркала соединен с основным выходом входного дифференциального каскада, согласованным с шиной положительного источника питания, вход второго токового зеркала соединен с основным выходом входного дифференциального каскада, согласованным с шиной отрицательного источника питания, а выходы третьего и четвертого токовых зеркал соединены с основным выходом дифференциального усилителя, вводятся новые элементы и связи между ними - р-n-р и n-р-n дополнительные транзисторы, причем базы этих дополнительных транзисторов соединены с основным выходом дифференциального усилителя, эмиттер р-n-р дополнительного транзистора соединен с выходом первого токового зеркала, а его коллектор связан со входом четвертого токового зеркала, эмиттер n-р-n дополнительного транзистора соединен с выходом второго токового зеркала, а его коллектор подключен ко входу третьего токового зеркала.This goal is achieved by the fact that in the differential amplifier containing the input differential stage, the first, second, third and fourth current mirrors, and the input of the first current mirror is connected to the main output of the input differential stage, consistent with the bus of the positive power source, the input of the second current mirror is connected with the main output of the input differential stage, consistent with the bus of the negative power source, and the outputs of the third and fourth current mirrors are connected to the main m output of the differential amplifier, new elements are introduced and the connections between them - pnp and npn are additional transistors, the bases of these additional transistors connected to the main output of the differential amplifier, the emitter pnp of the additional transistor is connected to the output the first current mirror, and its collector is connected to the input of the fourth current mirror, the emitter npn of the additional transistor is connected to the output of the second current mirror, and its collector is connected to the input of the third current mirror.

Схема заявляемого устройства показана на фиг.3. На фиг.4 показана схема ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения. На фиг.5-6 приведены варианты выполнения входного дифференциального каскада в соответствии с п.3 (фиг.5) и п.4 (фиг.6) формулы изобретения.A diagram of the inventive device is shown in figure 3. Figure 4 shows a diagram of the remote control in accordance with claim 2 of the claims. Figure 5-6 shows embodiments of the input differential stage in accordance with claim 3 (figure 5) and claim 4 (figure 6) of the claims.

В соответствии с п.5 формулы изобретения на фиг.4 показаны вспомогательные выходы дифференциального усилителя (23, 24), к которым для для улучшения качественных показателей может подключаться вспомогательная нагрузка.In accordance with claim 5 of the claims, figure 4 shows the auxiliary outputs of a differential amplifier (23, 24), to which an auxiliary load can be connected to improve the quality indicators.

Частный случай выполнения ДУ фиг.1 по п.6 показан на фиг.7.A special case of performing the remote control of FIG. 1 according to claim 6 is shown in FIG. 7.

Варианты выполнения ДУ фиг.4 для случая, когда коэффициенты передачи со входа входного дифференциального каскада к первому и второму вспомогательным выходам значительно превышают коэффициенты передачи к выходам 7 и 10, приведены на фиг.8.Embodiments of the remote control of FIG. 4 for the case where the transmission coefficients from the input of the input differential stage to the first and second auxiliary outputs significantly exceed the transmission coefficients for outputs 7 and 10, are shown in FIG.

Фиг.9, на которой показаны переменные токи и напряжения, поясняет работу заявляемого устройства фиг.1.Fig.9, which shows alternating currents and voltages, explains the operation of the inventive device of Fig.1.

На фиг.10 показана схема ДУ-прототипа, которая исследовалась авторами в среде PSpice на моделях интегральных транзисторах ФГУП «Пульсар» (г.Москва), а на фиг.11 - результаты расчета ее выходного сопротивления. Аналогично на фиг.12 показана схема заявляемого ДУ, а на фиг.13 - результаты ее компьютерного моделирования.Figure 10 shows the scheme of the remote control prototype, which was studied by the authors in the environment of PSpice on the models of integrated transistors of FSUE "Pulsar" (Moscow), and figure 11 shows the results of calculating its output resistance. Similarly, Fig. 12 shows a diagram of the claimed remote control, and Fig. 13 shows the results of its computer simulation.

На фиг.14 приведена схема ДУ-прототипа в составе типового операционного усилителя, а на фиг.15 - схема ОУ на основе заявляемого ДУ. Результаты расчета АЧХ коэффициента усиления данных устройств при емкости коррекции С_к=10 пф, показаны на фиг.16.In Fig.14 shows a diagram of the remote control prototype in the composition of a typical operational amplifier, and Fig.15 is a diagram of the OS based on the claimed remote control. The results of calculating the frequency response of the gain of these devices with correction capacitance C _k = 10 pF are shown in Fig. 16.

Дифференциальный усилитель (фиг.3) содержит входной дифференциальный каскад 1, первое 2, второе 3, третье 4 и четвертое 5 токовые зеркала, причем вход 6 первого токового зеркала 2 соединен с основным выходом 7 входного дифференциального каскада 1, согласованным с шиной положительного источника питания 8, вход 9 второго токового зеркала 3 соединен с основным выходом 10 входного дифференциального каскада 1, согласованным с шиной отрицательного источника питания 11, а выходы 12 третьего (4) и 13 четвертого (5) токовых зеркал соединены друг с другом и основным выходом дифференциального усилителя 14. В схему в соответствии с п.1 формулы изобретения введены р-n-р (15) и n-р-n (16) дополнительные транзисторы, причем базы этих дополнительных транзисторов соединены с основным выходом 14 дифференциального усилителя, эмиттер р-n-р дополнительного транзистора 15 соединен с выходом 17 первого токового зеркала 2, а его коллектор связан со входом 18 четвертого токового зеркала 5, эмиттер n-р-n дополнительного транзистора 16 соединен с выходом 19 второго токового зеркала 3, а его коллектор подключен ко входу 20 третьего токового зеркала 4.The differential amplifier (figure 3) contains an input differential stage 1, first 2, second 3, third 4 and fourth 5 current mirrors, and the input 6 of the first current mirror 2 is connected to the main output 7 of the input differential stage 1, matched with the bus positive power supply 8, the input 9 of the second current mirror 3 is connected to the main output 10 of the input differential stage 1, matched with the bus of the negative power source 11, and the outputs 12 of the third (4) and 13 of the fourth (5) current mirrors are connected to each other and the main the output of the differential amplifier 14. In the circuit in accordance with claim 1, rnp (15) and npn (16) additional transistors are introduced, the bases of these additional transistors connected to the main output 14 of the differential amplifier, the emitter pnp of the additional transistor 15 is connected to the output 17 of the first current mirror 2, and its collector is connected to the input 18 of the fourth current mirror 5, the emitter npn of the additional transistor 16 is connected to the output 19 of the second current mirror 3, and its the collector is connected to input 20 of the third t shackle mirror 4.

В соответствии с п.2 формулы изобретения в качестве входного дифференциального каскада 1, так же, как и в ДУ-прототипе (Японский патент), может использоваться (фиг.4) дифференциальный каскад, содержащий, кроме основного выхода 7, согласованного с шиной положительного источника питания 8, первый противофазный ему вспомогательный выход 21, согласованный с шиной положительного источника питания, а также второй вспомогательный выход 22, согласованный с шиной отрицательного источника питания, противофазный основному выходу входного дифференциального каскада, согласованному с шиной отрицательного источника питания, причем первый вспомогательный выход, согласованный с шиной положительного источника питания, соединен со входом третьего токового зеркала, а второй вспомогательный выход, согласованный с шиной отрицательного источника питания, подключен ко входу четвертого токового зеркала. В качестве вспомогательных выходов 23 и 24 используются эмиттеры транзисторов 15 и 16.In accordance with claim 2, as an input differential stage 1, as well as in the remote control prototype (Japanese patent), a differential stage can be used (figure 4), containing, in addition to the main output 7, matched with the positive bus power supply 8, the first auxiliary phase opposite to it 21, coordinated with the bus of the positive power supply, as well as the second auxiliary output 22, coordinated with the bus of the negative power source, out of phase to the main output of the input differential a cascade matched to the negative power supply bus, the first auxiliary output matched to the positive power supply bus connected to the input of the third current mirror, and the second auxiliary output matched to the negative power supply bus connected to the input of the fourth current mirror. As auxiliary outputs 23 and 24, emitters of transistors 15 and 16 are used.

На фиг.7 выходы токовых зеркал 2 и 3 связаны друг с другом. Это переводит транзисторы 15 и 16 в режим отсечки (при малых сигналах и идентичных элементах схемы). В то же время при больших уровнях входного сигнала «открывается» либо транзистор 15, либо транзистор 16, что обеспечивает передачу сигнала на выход ДУ.7, the outputs of the current mirrors 2 and 3 are connected to each other. This puts the transistors 15 and 16 in the cutoff mode (with small signals and identical circuit elements). At the same time, at high levels of the input signal, either transistor 15 or transistor 16 “opens”, which ensures the transmission of the signal to the remote control output.

Схема фиг.8 соответствует схеме фиг.4. Однако в ней коэффициенты передачи по переменному току ко входам 21 и 22 выбраны значительно больше, чем ко входам 7 и 10.The diagram of Fig. 8 corresponds to the diagram of Fig. 4. However, in it the transmission coefficients for alternating current to the inputs 21 and 22 are selected significantly more than to the inputs 7 and 10.

На фиг.9 элементы у_22.2, y_22.3, y_22.4, y_22.5 представляют собой эквивалентные выходные проводимости токовых зеркал 2, 3, 4, 5.In Fig. 9, the elements y _22.2 , y _22.3 , y _22.4 , y _22.5 represent the equivalent output conductivities of the current mirrors 2, 3, 4, 5.

Для расчета выходного сопротивления ДУ-прототипа фиг.10 и заявляемого ДУ на выход включен источник переменного напряжения V_in1, а выходное сопротивление определяется как отношение V_in1/i_вых.To calculate the output resistance of the remote control prototype of FIG. 10 and the claimed remote control, the source of alternating voltage V _{in1 is} turned on, and the output resistance is determined as the ratio V _in1 / i _out .

В операционных усилителях фиг.14 и фиг.15 в качестве буферного усилителя с коэффициентом передачи по напряжению, близким к единице, использовался типовой двухтактный выходной каскад на «бриллиантовых» транзисторах с верхней граничной частотой 800-900 МГц. Устойчивость ОУ обеспечивалась корректирующей емкостью С_к=10 пФ.In the operational amplifiers of Fig. 14 and Fig. 15, a typical push-pull output stage on "diamond" transistors with an upper cut-off frequency of 800-900 MHz was used as a buffer amplifier with a voltage transfer coefficient close to unity. The stability of the op-amp was provided by a correction capacitance C _k = 10 pF.

Работу заявляемого устройства рассмотрим на примере анализа фиг.9.The operation of the inventive device will consider the example of analysis of Fig.9.

Для определения выходного сопротивления необходимо найти отношениеTo determine the output impedance, it is necessary to find the ratio

Если учесть, что сопротивление коллекторных переходов транзисторов 15 и 16 (Г_к) значительно превышает выходное сопротивление токовых зеркал 2-4 (фиг.11), то из рассмотрения схемы фиг.9 можно найти составляющие токов, обусловленные конечными значениями выходных проводимостей токовых зеркал у_22.2÷y_22.5:If we take into account that the resistance of the collector junctions of transistors 15 and 16 (G _to ) significantly exceeds the output resistance of current mirrors 2-4 (Fig. 11), then from a consideration of the circuit of Fig. 9, we can find the current components due to the final values of the output conductivities of current mirrors _22.2 ÷ y _22.5 :

Токи i_22.2 и i_22.3 передаются транзисторами 15 и 16 и токовыми зеркалами 4 и 5 на выход ДУ 14. Поэтому суммарный выходной токThe currents i _22.2 and i _22.3 are transmitted by transistors 15 and 16 and current mirrors 4 and 5 to the output of the remote control 14. Therefore, the total output current

где K_i12,5≈K_i12.4≈1 - коэффициенты передачи по току токовых зеркал 4 и 5;where K _i12,5 ≈K _i12.4 ≈1 - current transfer coefficients of current mirrors 4 and 5;

α₁₅≈α₁₆≈1 - коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов 15 и 16 в схеме с общей базой.α ₁₅ ≈α ₁₆ ≈1 - current transfer coefficients of the emitter of transistors 15 and 16 in a circuit with a common base.

В результате выходной ток ДУ можно представить в видеAs a result, the remote control output current can be represented as

где у_22.35=у_22.3=у_22.5, у_22.42=у_22.4=у_22.2 - средние значения соответствующих выходных проводимостей.where at _22.35 = at _22.3 = at _22.5 , at _22.42 = at _22.4 = at _22.2 - the average values of the corresponding output conductivities.

Так как в качестве токовых зеркал 5 и 3, 4 и 2 используются идентичные устройства, то их выходные проводимости при интегральном исполнении незначительно отличаются друг от друга, кроме этого коэффициенты α₁₅К_i12.5≈1, α₁₆K_i12.4≈1. Поэтому эквивалентная входная проводимость ДУ оказывается значительно меньше абсолютных значений у_22.i. Как следствие, выходное сопротивление ДУ существенно повышается. Сравнение графиков фиг.11 и фиг.13 показывает, что этот параметр улучшается в 40-50 раз, что позволяет во столько же раз увеличить коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.16).Since identical devices are used as current mirrors 5 and 3, 4 and 2, their output conductivities for the integral version are slightly different from each other, in addition, the coefficients α ₁₅ K _i12.5 ≈1, α ₁₆ K _i12.4 ≈1 . Therefore, the equivalent input conductivity of the _DE is much less than the absolute values of _22.i. As a result, the output resistance of the remote control increases significantly. A comparison of the graphs of FIG. 11 and FIG. 13 shows that this parameter improves by a factor of 40–50, which makes it possible to increase the gain of the voltage of the remote control by the same factor (FIG. 16).

В соответствии с п.2-п.7 формулы изобретения в устройствах фиг.7, фиг.8 создаются дополнительные условия, обеспечивающие дальнейшее повышение качественных показателей заявляемого ДУ в различных режимах его работы (более высокий выигрыш по R_вых(К_у), более высокая температурная стабильность статических параметров, большая независимость выигрыша по К_вых в широком диапазоне изменения статических токов и питающих напряжений, более широкий частотный диапазон и т.д.).In accordance with paragraph 2-paragraph 7 of the claims in the devices of Fig. 7, Fig. 8 additional conditions are created that provide a further increase in the quality indicators of the claimed remote control in various modes of its operation (higher gain in R _o (K _y ), more high temperature stability of static parameters, greater independence in terms of K _o in a wide range of changes in static currents and supply voltages, a wider frequency range, etc.).

Claims

1. A differential amplifier comprising an input differential stage, a first, second, third and fourth current mirror, wherein the input of the first current mirror is connected to the main output of the input differential stage, matched to the bus of the positive power supply, the input of the second current mirror is connected to the main output of the differential input cascade, consistent with the negative power supply bus, and the outputs of the third and fourth current mirrors are connected to the main output of the differential amplifier, about characterized in that pnp and npn additional transistors are introduced into the circuit, and the bases of these additional transistors are connected to the main output of the differential amplifier, the emitter pnp of the additional transistor is connected to the output of the first current mirror, and its the collector is connected to the input of the fourth current mirror, the emitter npn of the additional transistor is connected to the output of the second current mirror, and its collector is connected to the input of the third current mirror.

2. The device according to claim 1, characterized in that, as an input differential stage, an amplifier is used that contains, in addition to the main output, which is matched with the bus of the positive power supply, its first out-of-phase auxiliary output, matched with the bus of the positive power source, and a second auxiliary output matched to the negative power supply bus, out of phase to the main output of the input differential stage, matched to the negative power supply bus, the first auxiliary output, matched with the bus of the positive power supply, is connected to the input of the third current mirror, and the second auxiliary output, matched with the bus of the negative power source, is connected to the input of the fourth current mirror.

3. The device according to claim 1, characterized in that as the input differential cascade, a bridge differential cascade on npn and pnp transistors is used, which has a primary and antiphase first auxiliary output matched to a bus of a positive power source , as well as the main and antiphase second auxiliary outputs, matched with the buses of the negative power source.

4. The device according to claim 1, characterized in that as the input differential stage two parallel-balanced stages are used on n-pn and pnp transistors, the emitters of which are combined and connected to the bus of positive and negative power sources through the corresponding current-stabilizing two-pole, moreover, the collectors of npn transistors are the main and first auxiliary outputs, matched with the bus of a positive power source, and the collectors of pnp transistors are respectively the main and auxiliary illuminated outputs matched with negative power supply buses.

5. The device according to claim 1, characterized in that the emitters of the additional transistors are auxiliary outputs of the differential amplifier, to which the auxiliary load is connected.

6. The device according to claim 2, characterized in that the outputs of the first and second current mirrors are connected to each other.

7. The device according to claim 2, characterized in that the coefficient of transmission of alternating current from the input of the input differential stage to the main outputs, matched with the buses of positive and negative power sources, are selected significantly less than the transmission coefficients of alternating current from the input of the input differential stage to the first and second auxiliary outputs.