RU2292633C1 - Дифференциальный усилитель - Google Patents
Дифференциальный усилитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2292633C1 RU2292633C1 RU2005117754/09A RU2005117754A RU2292633C1 RU 2292633 C1 RU2292633 C1 RU 2292633C1 RU 2005117754/09 A RU2005117754/09 A RU 2005117754/09A RU 2005117754 A RU2005117754 A RU 2005117754A RU 2292633 C1 RU2292633 C1 RU 2292633C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- terminal
- input
- stabilizing
- output
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиотехнике и связи для использования в различных микроэлектронных устройствах усиления и преобразования аналоговых сигналов с малым напряжением питания. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала в более широком диапазоне изменения входных синфазных напряжений. Устройство содержит два дифференциальных каскада (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками (3, 4) и (8, 9), токовыми выходами (13-16), причем второй вывод ТД (8) соединен со вторым токовым выходом (14), второй вывод четвертого ТД (9) соединен с первым токовым выходом (13), второй вывод ТД (3) связан с четвертым токовым выходом (16), второй вывод ТД (4) соединен с третьим токовым выходом (15). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
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)).
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух параллельно включенных дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») [1-20]. По такой архитектуре, на модификации которой выдано около 100 патентов различных стран, выполнены операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм (AD8631, AD8632, НА2539 и др.). Причем в качестве токостабилизирующих двухполюсников каждого из параллельно включенных ДК таких ДУ применяются резисторы [21-24], если усилитель не работает с синфазным сигналом, или источники опорного тока на транзисторах [25-29], если входные сигналы имеют синфазную составляющую. Первый вариант построения ДУ практически не используется в структуре операционных усилителей, т.к. он не дает приемлемых значений коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (Кос.сф). Это связано с тем, что для получения больших значений Кос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих резисторов на уровне сотен килом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании. В технической литературе по аналоговой схемотехнике хорошо известно следующее правило построения ДУ - «в качестве токостабилизирующих двухполюсников ДУ не следует применять резисторы» (Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей, М., Радиософт, 2002. - С.81, 3 абзац сверху). С другой стороны, второй вариант построения ДУ также имеет ряд недостатков, связанных с уменьшением надежности схемы при радиационных и тепловых воздействиях, а также с наличием паразитной емкости на подложку у транзисторов ДУ, что ухудшает частотный диапазон. Кроме того, в практических схемах известных ДУ коэффициент Кос.сф оказывается также небольшим в связи с тем, что выходное сопротивление простейших токостабилизирующих двухполюсников на основе токовых зеркал оказывается также небольшим (30-100 кОм).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США № 4636743, H 03 F 3/45 (прототип), содержащий первый 1 и второй 2 входные n-p-n транзисторы, эмиттеры которых соединены с первыми выводами первого 3 и второго 4 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через первый 5 резистор местной обратной связи, первый 6 и второй 7 входные транзисторы p-n-p типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами третьего 8 и четвертого 9 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через второй 10 резистор местной обратной связи, причем база первого n-p-n транзистора 1 соединена с базой первого p-n-p транзистора 6 и первым входом 11 дифференциального усилителя, база второго n-p-n транзистора 2 соединена с базой второго p-n-p транзистора 7 и вторым 12 входом дифференциального усилителя, коллекторы первого 1 и второго 2 входных n-p-n транзисторов соединены с соответствующими первым 13 и вторым 14 токовыми выходами, согласованными с шиной положительного источника питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 p-n-p входных транзисторов соединены с соответствующими третьим 15 и четвертым 16 токовыми выходами, согласованными с шиной отрицательного источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов при изменении входного синфазного напряжения в диапазоне, близком к напряжению питания. В значительной степени этот недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников-резисторов.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ и расширении допустимого диапазона изменения входных синфазных напряжений до уровня напряжений питания. При этом в качестве токостабилизирующих двухполюсников авторы рекомендуют применять резисторы, что недостижимо при других вариантах построения ДУ.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 входные n-p-n транзисторы, эмиттеры которых соединены с первыми выводами первого 3 и второго 4 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через первый 5 резистор местной обратной связи, первый 6 и второй 7 входные транзисторы p-n-p типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами третьего 8 и четвертого 9 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через второй 10 резистор местной обратной связи, причем база первого n-p-n транзистора 1 соединена с базой первого p-n-p транзистора 6 и первым входом 11 дифференциального усилителя, база второго n-p-n транзистора 2 соединена с базой второго p-n-p транзистора 7 и вторым 12 входом дифференциального усилителя, коллекторы первого 1 и второго 2 входных n-p-n транзисторов соединены с соответствующими первым 13 и вторым 14 токовыми выходами, согласованными с шиной положительного источника питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 p-n-p входных транзисторов соединены с соответствующими третьим 15 и четвертым 16 токовыми выходами, согласованными с шиной отрицательного источника питания, вводятся новые связи - второй вывод третьего токостабилизирующего двухполюсника 8 соединен со вторым токовым выходом 14, второй вывод четвертого токостабилизирующего двухполюсника 9 соединен с первым токовым выходом 13, второй вывод первого токостабилизирующего двухполюсника 3 связан с четвертым токовым выходом 16, а второй вывод второго токостабилизирующего двухполюсника 4 соединен с третьим токовым выходом 15.
Схема заявляемого устройства в соответствии с пп.1, 2 формулы изобретения показана на фиг.2.
На фиг.3 показан заявляемый ДУ в соответствии с п.3 формулы изобретения. Частный вариант построения ДУ фиг.3 показан на фиг.4. На фиг.5 приведены токи и напряжения ДУ фиг.2, поясняющие его работу на синфазном сигнале uc=uc1=uc2. Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.2, в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», при параметрах элементов и режимах, указанных на фиг.6, показаны на фиг.7.
На фиг.2 - 7 приняты следующие обозначения параметров ДУ:
Scc - крутизна передачи ДУ по дифференциальному входному сигналу uвх;
Sдс - крутизна передачи ДУ по синфазному входному сигналу uс;
Kуд - коэффициент передачи дифференциального входного напряжения ДУ uвх;
Кус - коэффициент передачи синфазного входного напряжения uc.
Причем между этими параметрами и коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов Кос.сф существует следующая взаимосвязь
где uвх - напряжение между входами ДУ 11 и 12;
uc - синфазное входное напряжение на входах 11 и 12;
uвых - выходное напряжение ДУ;
Rн - сопротивление нагрузки, подключаемое к выходу ДУ.
Дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные n-p-n транзисторы, эмиттеры которых соединены с первыми выводами первого 3 и второго 4 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через первый 5 резистор местной обратной связи, первый 6 и второй 7 входные транзисторы p-n-p типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами третьего 8 и четвертого 9 токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через второй 10 резистор местной обратной связи, причем база первого n-p-n транзистора 1 соединена с базой первого p-n-p транзистора 6 и первым входом 11 дифференциального усилителя, база второго n-p-n транзистора 2 соединена с базой второго p-n-p транзистора 7 и вторым 12 входом дифференциального усилителя, коллекторы первого 1 и второго 2 входных n-p-n транзисторов соединены с соответствующими первым 13 и вторым 14 токовыми выходами, согласованными с шиной положительного источника питания, а коллекторы первого 6 и второго 7 p-n-p входных транзисторов соединены с соответствующими третьим 15 и четвертым 16 токовыми выходами, согласованными с шиной отрицательного источника питания. Второй вывод третьего токостабилизирующего двухполюсника 8 соединен со вторым токовым выходом 14, второй вывод четвертого токостабилизирующего двухполюсника 9 соединен с первым токовым выходом 13, второй вывод первого токостабилизирующего двухполюсника 3 связан с четвертым токовым выходом 16, а второй вывод второго токостабилизирующего двухполюсника 4 соединен с третьим токовым выходом 15.
В соответствии с п.3 формулы изобретения на фиг.3 выходы 14 и 16 ДУ соединены с синфазными входами 17 и 18 синфазного сумматора двух сигналов 19, имеющего выход 20. Частный вариант построения синфазного сумматора двух сигналов 19 и его соединение с заявляемым ДУ приведены на фиг.4.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2. Приращение токов в схеме фиг.2 при изменении входного синфазного сигнала uc=uc1=uc2 показано на фиг.5.
Если на входы 11 и 12 подать синфазное напряжение uc=uc1=uc2, то в элементах схемы появятся переменные составляющие токов
i3≈ucy3, i4≈ucy4, i8≈ucy8, i9≈ucy9,
где y3=R3 -1, y4=R4 -1, y8=R8 -1, y9=R9 -1, - проводимости токостабилизирующих двухполюсников 3, 4, 8, 9 соответственно.
Эти приращения токов, которые равны соответствующим приращениям токов эмиттеров транзисторов 1, 2, 6, 7, передаются в коллекторные цепи
iк1=α1i3, iк2=α2i4, iк6=α6i8, iк7=α7i9,
где αi≈1 - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора.
Следует обратить внимание, что в выходных узлах 13, 14 и 15, 16 происходит вычитание близких по величине токов
iвых.13=iк1-i9, iвых.14=iк2-i8, i* вых.15=i4-iк6, i* вых.16=i3-iк7
или
iвых.13=uc(α1y3-y9), iвых.14=uc(α2y4-y8), i* вых.15=uc(y4-α6y8),
i* вых.16=uc(y3-α7y9).
Если обеспечить равенство y3=y4=y8=y9, то при αi=1 в выходных узлах 13-16 будут отсутствовать составляющие, обусловленные входным синфазным сигналом, то есть крутизна преобразования входного синфазного напряжения в выходной ток Scc=iвых/uc будет близка к нулю. В реальных схемах минимальные значения Scc.min будут определяться проводимостями коллекторных переходов применяемых транзисторов, а также отличием их коэффициентов передачи по току эмиттера (αi) от единицы.
Важнейшее свойство заявляемой схемы ДУ, которое наиболее ярко проявляется при его использовании в структурах фиг.3-4 - широкий допустимый диапазон изменения синфазного сигнала (uc.max) - практически равный или даже превышающий на 50-100 мВ напряжения питания (Еп). Следует обратить внимание, что построение высокоэффективных входных дифференциальных каскадов с uc.max=±Eп относится к числу нерешенных проблем современной аналоговой микросхемотехники. Для построения так называемых Rail-to-rail по входу дифференциальных усилителей с низковольтным питанием предложено большое число каскадов с переключаемыми (синфазным сигналом) источниками опорного тока, например [31]. Однако они характеризуются повышенным уровнем нелинейных искажений и другими недостатками.
В заявляемой схеме имеется два канала усиления, причем при происходит самовыключение одного канала на p-n-p транзисторах, а при самовыключается канал на n-p-n транзисторах. При этом суммарное усиление дифференциального сигнала в ДУ (фиг.3) уменьшается только в два раза, что несущественно для многих применений ДУ в системах с глубокой обратной связью. Таким образом, заявляемый ДУ имеет более высокий, чем известные устройства диапазон изменения входного синфазного сигнала.
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва).
На фиг.7 показана зависимость выходного тока ДУ фиг.6 (фиг.2) от уровня входного синфазного сигнала при разных сопротивлениях резисторов R8=R9=R3=R4=R. Данные графики показывают, что выходной ток узла 13 ДУ фиг.6 практически не изменяется, что свидетельствует о высоком подавлении синфазного сигнала, который для каждого отдельного выхода заявляемого ДУ имеет значение порядка 60 дБ. Это значительно лучше, чем Кос.сф ДУ-прототипа фиг.1 на основе транзисторных источников опорного тока (Koc.сф=54 дБ). Еще большие значения Кос.сф реализуются в схеме фиг.3 (Kос.сф=80 дБ).
Исследования максимально возможного диапазона изменения входного синфазного напряжения uc.max в заявляемом ДУ при его применении в схеме операционного усилителя (ОУ) показывают, что uc.max только на 20-30 мВ меньше напряжения питания, что недостижимо при других известных вариантах построения входного каскада.
Библиографический список
1. Патент РФ № 2193273, H 03 F 3/45.
2. Патент Японии № 53-25232, H 03 F 3/26, 98(5) А332.
3. Патент US 2001/0052818 A1, H 03 F 3/45.
4. Патент Японии № JP 8222972.
5. Авт. свид. СССР № 611288.
6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М.: Радио и связь, 1989. - стр.103, Рис.6.11.
7. Патент США № 6366170 В1, H 03 F 3/45.
8. Патент США № 6268769, H 03 F 3/45.
9. Патент США № 3974455, H 03 F 3/45
10. Патент США № 3968451, H 03 F3/45.
11. Патент США № 4837523, H 03 F 3/45.
12. Патент США № 5291149, H 03 F 3/45.
13. Патент США № 4636743, H 03 F 3/45.
14. Патент США № 4783637, H 03 F 3/45.
15. Патент США № 5515005, H 03 F 3/45.
16. Патент США № 5291149, H 03 F 3/45.
17. Патент США № 5140280, H 03 F 3/45.
18. Патент США № 5455535, H 03 F 3/45.
19. Патент США № 5523718, H 03 F 3/45.
20. Патент США № 4600893, H 03 F 3/45.
21. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с. - стр.156, рис.4.25.
22. Патент США № 4131809, H 03 F 3/45.
23. Патент США № 3323070, H 03 F 3/45.
24. Патент ЕР № 1351381 A1, H 03 F 3/30.
25. Патент США № 5365191, H 03 F 3/45.
26. Патент США № 4390848, H 03 F 3/45.
27. Патент США № 5774020, H 03 F 3/45.
28. Патент США № 4146844, H 03 F 1/26.
29. Патент США № 4890067, H 03 F 3/45.
30. Патент США № 4636743, H 03 F 3/45.
31. Патент США № 5610557 H 03 F 3/45.
Claims (3)
1. Дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) входные n-p-n транзисторы, эмиттеры которых соединены с первыми выводами первого (3) и второго (4) токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через первый (5) резистор местной обратной связи, первый (6) и второй (7) входные транзисторы p-n-p типа, эмиттеры которых соединены с первыми выводами третьего (8) и четвертого (9) токостабилизирующих двухполюсников и связаны друг с другом через второй (10) резистор местной обратной связи, причем база первого n-p-n транзистора (1) соединена с базой первого p-n-p транзистора (6) и первым входом (11) дифференциального усилителя, база второго n-p-n транзистора (2) соединена с базой второго p-n-p транзистора (7) и вторым (12) входом дифференциального усилителя, коллекторы первого (1) и второго (2) входных n-p-n транзисторов соединены с соответствующими первым (13) и вторым (14) токовыми выходами, согласованными с шиной положительного источника питания, а коллекторы первого (6) и второго (7) p-n-p входных транзисторов соединены с соответствующими третьим (15) и четвертым (16) токовыми выходами, согласованными с шиной отрицательного источника питания, отличающийся тем, что второй вывод третьего токостабилизирующего двухполюсника 8 соединен со вторым токовым выходом (14), второй вывод четвертого токостабилизирующего двухполюсника (9) соединен с первым токовым выходом (13), второй вывод первого токостабилизирующего двухполюсника (3) связан с четвертым токовым выходом (16), второй вывод второго токостабилизирующего двухполюсника (4) соединен с третьим токовым выходом (15).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве токостабилизирующих двухполюсников используются резисторы.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что второй и четвертый токовые выходы связаны со входами (17), (18) синфазного сумматора двух сигналов (19).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005117754/09A RU2292633C1 (ru) | 2005-06-08 | 2005-06-08 | Дифференциальный усилитель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005117754/09A RU2292633C1 (ru) | 2005-06-08 | 2005-06-08 | Дифференциальный усилитель |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2292633C1 true RU2292633C1 (ru) | 2007-01-27 |
Family
ID=37773550
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005117754/09A RU2292633C1 (ru) | 2005-06-08 | 2005-06-08 | Дифференциальный усилитель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2292633C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615068C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-04-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Биполярно-полевой дифференциальный операционный усилитель |
-
2005
- 2005-06-08 RU RU2005117754/09A patent/RU2292633C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2615068C1 (ru) * | 2015-12-15 | 2017-04-03 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Биполярно-полевой дифференциальный операционный усилитель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Uygur et al. | Seventh-order elliptic video filter with 0.1 dB pass band ripple employing CMOS CDTAs | |
EP0500694A1 (en) | FULLY DIFFERENTIAL CMOS POWER AMPLIFIER. | |
RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
US8169263B2 (en) | Differential gm-boosting circuit and applications | |
US20070222510A1 (en) | System and method for operating a feedback network | |
RU2292633C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
US20130234685A1 (en) | Highly linear programmable v-i converter using a compact switching network | |
El-Masry et al. | CMOS micropower universal log-domain biquad | |
RU2346388C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
Mahattanakul et al. | Modular log-domain filters based upon linear Gm-C filter synthesis | |
EP0410295A2 (en) | Single-ended chopper stabilized operational amplifier | |
Dal Fabbro et al. | An integrated CMOS instrumentation amplifier with improved CMRR | |
WO1993017494A1 (en) | Differential current amplifier circuit | |
JP2006352416A (ja) | インピーダンス変換回路 | |
KR19980024303A (ko) | 트랜스임피던스 기능을 발생시키기 위한 집적 회로 및 방법 | |
Lee | Low-voltage op amp design and differential difference amplifier design using linear transconductor with resistor input | |
RU2283533C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
RU2321159C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
RU2319296C1 (ru) | Быстродействующий дифференциальный усилитель | |
US7180357B2 (en) | Operational amplifier integrator | |
US6642779B2 (en) | Trimming impedance between two nodes connected to a non-fixed voltage level | |
RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
RU2293433C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала | |
Sato et al. | Local-feedback amplifier with improved linearity and its application to continuous-time active filter | |
RU2292637C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением синфазного сигнала |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110609 |