RU2292636C1 - Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation - Google Patents
Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2292636C1 RU2292636C1 RU2005123252/09A RU2005123252A RU2292636C1 RU 2292636 C1 RU2292636 C1 RU 2292636C1 RU 2005123252/09 A RU2005123252/09 A RU 2005123252/09A RU 2005123252 A RU2005123252 A RU 2005123252A RU 2292636 C1 RU2292636 C1 RU 2292636C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- input
- outputs
- mirrors
- inputs
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
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 схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух входных транзисторов с токостабилизирующими резисторами в их эмиттерных цепях и резистором местной отрицательной обратной связи, включенным между эмиттерами входных транзисторов [1-7]. Такие ДУ стали одним из основных элементов современной аналоговой микросхемотехники, широко используются в структуре различных прецизионных преобразователей «напряжение-ток». Существенный недостаток таких ДУ состоит в том, что они имеют невысокие значения коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (Кос.сф), который существенно зависит от сопротивлений токостабилизирующих резисторов.Known schemes of classical differential amplifiers (DEs), implemented on the basis of two input transistors with current-stabilizing resistors in their emitter circuits and a local negative feedback resistor connected between the emitters of the input transistors [1-7]. Such remote controls have become one of the main elements of modern analog microcircuitry and are widely used in the structure of various precision voltage-current converters. A significant drawback of such remote controls is that they have low values of the attenuation coefficient of the input common-mode signal (K os.sf ), which substantially depends on the resistances of the current-stabilizing resistors.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте ЕР №1351381 А1 (он же - в патенте США №6657465 В2), содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной обратной связи, первое 4 и второе 5 токовые зеркала, входы которых 6 и 7 связаны с коллекторами входных транзисторов 1 и 2, а выходы 8 и 9 соединены с выходами 10, 11 третьего 12 и четвертого 13 токовых зеркал, причем эмиттер первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с первыми выводами 14 и 15 токостабилизирующих резисторов 16 и 17.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a differential amplifier described in patent EP No. 1351381 A1 (aka US Pat. No. 6657465 B2) containing the first 1 and second 2 input transistors, between the emitters of which a
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов.A significant drawback of the known remote control is that it has a low attenuation of the input common-mode signals.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ при использовании сравнительно низкоомных токостабилизирующих резисторов 16 и 17.The main objective of the invention is to increase the attenuation coefficient of the input common-mode signals of the remote control when using relatively low-resistance current-stabilizing
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной обратной связи, первое 4 и второе 5 токовые зеркала, входы которых 6 и 7 связаны с коллекторами входных транзисторов 1 и 2, а выходы 8 и 9 соединены с выходами 10, 11 третьего 12 и четвертого 13 токовых зеркал, причем эмиттер первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с первыми выводами 14 и 15 токостабилизирующих резисторов 16 и 17, вводятся новые элементы и связи - вторые выводы 18 и 19 токостабилизирующих резисторов 16 и 17 подключены ко входам 20 и 21 третьего 12 и четвертого 13 токовых зеркал, выходы первого 4 и третьего 12 токовых зеркал соединены с первым 22 токовым входом дополнительного сумматора токов 23, а выходы 9 и 11 второго 5 и четвертого 13 токовых зеркал соединены со вторым токовым входом 24 дополнительного сумматора токов 23.This goal is achieved by the fact that in the differential amplifier of figure 1, containing the first 1 and second 2 input transistors between the emitters which include a
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2.The diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.3 показан заявляемый ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения. Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.3 в среде PSpice при синфазном входном сигнале на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» и параметрах элементов и режимах, указанных на фиг.4, показаны на фиг.5 и 6. Причем графики фиг.5 сняты при сопротивлении нагрузки ДУ Rн=100 кОм, а графики фиг.6 при Rн=1 кОм.Figure 3 shows the claimed remote control in accordance with
На фиг.7 представлена схема ДУ фиг.3 (фиг.4) для случая, когда инвертирующий повторитель тока 30 (F1) является идеальным усилительным элементом, т.е. имеет коэффициент передачи по току, равный единице в широком диапазоне частот (Кi.30=1). Это позволяет выявить предельные возможности заявляемого ДУ по ослаблению синфазных сигналов, которые представлены характеристиками фиг.8 (при Rн=100 кОм) и фиг.9 (при Rн=1 кОм).Fig. 7 is a diagram of the remote control of Fig. 3 (Fig. 4) for the case when the inverting current follower 30 (F1) is an ideal amplifying element, i.e. has a current transfer coefficient equal to unity in a wide frequency range (K i.30 = 1). This allows you to identify the ultimate capabilities of the claimed remote control to attenuate common-mode signals, which are represented by the characteristics of Fig. 8 (at R n = 100 kOhm) and Fig. 9 (at R n = 1 kOhm).
На фиг.5-9 приняты следующие обозначения параметров ДУ:Figure 5-9 adopted the following designation of the parameters of the remote control:
Kуд - коэффициент передачи дифференциального входного напряжения ДУ uвх;K beats is the transmission coefficient of the differential input voltage of the remote control u in ;
Кус - коэффициент передачи синфазного входного напряжения uc.To us - the transfer coefficient of the common-mode input voltage u c .
Причем между этими параметрами и коэффициентом ослабления входных синфазных сигналов Кос.сф существует следующая взаимосвязь:Moreover, between these parameters and the attenuation coefficient of the input common-mode signals K OS.sf there is the following relationship:
где uвх - напряжение между входами ДУ;where u I - voltage between the inputs of the remote control;
uc - синфазное входное напряжение на входах ДУ;u c - common-mode input voltage at the inputs of the remote control;
uвых - выходное напряжение ДУ (uвых=iвыхRн);u o - remote control output voltage (u o = i o R n );
Rн - сопротивление нагрузки, подключаемое к выходу ДУ;R n - load resistance connected to the output of the remote control;
Sсс - крутизна передачи ДУ по дифференциальному входному сигналу uвх;S ss - the steepness of the transmission of remote control by the differential input signal u I ;
Sдс - крутизна передачи ДУ по синфазному входному сигналу uc.S ds - the steepness of the transmission of remote control in common mode input signal u c .
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор 3 местной обратной связи, первое 4 и второе 5 токовые зеркала, входы которых 6 и 7 связаны с коллекторами входных транзисторов 1 и 2, а выходы 8 и 9 соединены с выходами 10, 11 третьего 12 и четвертого 13 токовых зеркал, причем эмиттер первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с первыми выводами 14 и 15 токостабилизирующих резисторов 16 и 17. Вторые выводы 18 и 19 токостабилизирующих резисторов 16 и 17 подключены ко входам 20 и 21 третьего 12 и четвертого 13 токовых зеркал, выходы первого 4 и третьего 12 токовых зеркал соединены с первым 22 токовым входом дополнительного сумматора токов 23, а выходы 9 и 11 второго 5 и четвертого 13 токовых зеркал соединены со вторым токовым входом 24 дополнительного сумматора токов 23.The differential amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 input transistors between the emitters which include a
В соответствии с п.2 формулы изобретения (фиг.3) дополнительный сумматор тока 23 содержит первый 25 и второй 26 выходные транзисторы с объединенными базами, которые подключены к источнику смещения 27, эмиттеры первого 25 и второго 26 выходных транзисторов, являющиеся первым 22 и вторым 24 токовыми входами дополнительного сумматора токов 23, связаны со вспомогательными токостабилизирующими двухполюсниками 28 и 29, а коллектор первого 25 выходного транзистора соединен с коллектором второго выходного транзистора 26 и выходом дифференциального усилителя через инвертирующий повторитель тока 30.In accordance with
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2.Consider the work of the claimed remote control of figure 2.
Если на входы ДУ подать синфазное напряжение uc=uc1=uc2, то в резисторах 16, 17 появятся переменные составляющие токовIf a common-mode voltage u c = u c1 = u c2 is applied to the remote control inputs, then alternating current components will appear in
где - проводимости токостабилизирующих резисторов 16 и 17 соответственно.Where - conductivity of the
Эти приращения токов i16, i17, которые равны соответствующим приращениям токов эмиттеров транзисторов 1, 2, передаются, с одной стороны, на входы 6 и 7 и выходы 8, 9 токовых зеркал 4 и 5, а с другой - на входы 20 и 11, а затем выходы 10, 21 токовых зеркал 12 и 13:These increments of currents i 16 , i 17 , which are equal to the corresponding increments of the currents of the emitters of
где αi≈1 - коэффициент передачи по току эмиттера i-го транзистора.where α i ≈1 is the current transfer coefficient of the emitter of the i-th transistor.
Следует обратить внимание, что в узлах 22 и 24 происходит первое вычитание близких по величине выходных токов токовых зеркалIt should be noted that at
илиor
Разности выходных токов ip1, ip2 токовых зеркал 12 и 4, 13 и 5, обусловленные отличием их коэффициентов передачи по току Кi.12 и Кi.4, а также Кi.13 и Ki.5 поступают на входы дополнительного сумматора токов 23, в котором происходит их вычитание систематических ошибок усиления синфазного сигнала. Выходной ток ДУThe differences of the output currents i p1 , i p2 of the
Поэтому выходное напряжение ДУ, обусловленное наличием на его входах синфазного сигнала uc Therefore, the output voltage of the remote control due to the presence of in-phase signal u c
Следовательно, коэффициент передачи синфазного сигнала со входа ДУ на его выходTherefore, the transfer coefficient of the common mode signal from the input of the remote control to its output
где - коэффициент асимметрии, учитывающий неидентичность резисторов 17 и 16, а также усилений по току со входов 22 и 24 сумматора 23.Where - the asymmetry coefficient, taking into account the non-identity of the
При высокой идентичности y17 и y16, Ki.23 и коэффициент асимметрии принимает единичное значение Кac=1. Как следствие коэффициент передачи синфазного сигнала будет определяться только разностью близких по величине коэффициентов усиления Кi.12 и Кi.13, Ki.4 и Кi.5, α1 и α2. Так как токовые зеркала 12 и 13, 4 и 5 попарно идентичны, выполнены по одинаковым схемам, то поэтому передача синфазного сигнала на выходWith high identity y 17 and y 16 , K i.23 and the asymmetry coefficient takes a unit value of K ac = 1. As a result, the common-mode signal transmission coefficient will be determined only by the difference of the amplitudes K i.12 and K i.13 , K i.4 and K i.5 , α 1 and α 2 that are close in magnitude. Since the
Kсф=Rнy16Ki.23[Ki.12-Ki.13+α2Ki.5-α1Ki.4]≈0.K sf = R n y 16 K i.23 [K i.12 -K i.13 + α 2 K i.5 -α 1 K i.4 ] ≈0.
Отличие коэффициентов передач по току Ki.12 и Кi.13, Ki.4 и Кi.5 обусловлено в реальных схемах неодинаковыми значениями β применяемых р-n-р (12, 13) и n-p-n (4, 5) транзисторов, а также неодинаковыми значениями их статического режима по напряжению коллектор-база. Именно эти причины приводят к появлению токовых ошибок ip1 и ip2, которые поступают на входы 22 и 24 дополнительного сумматора 23. Однако входные токи ip1=ip2 дополнительного усилителя 23 будут иметь почти одинаковые значения, т.к. токовые зеркала 4 и 5, а также 12 и 13 попарно идентичны.The difference in current transfer coefficients K i.12 and K i.13 , K i.4 and K i.5 is caused in real circuits by unequal values of β used by pnp (12, 13) and npn (4, 5) transistors , as well as unequal values of their static mode in terms of collector-base voltage. It is these reasons that lead to the appearance of current errors i p1 and i p2 , which are fed to the
Как уже отмечалось выше, схемотехническим и технологическим путем достаточно просто обеспечить равенства , α1=α2, при котором на выходе дополнительного сумматора 23 будут отсутствовать составляющие, обусловленные входным синфазным сигналом, то есть крутизна преобразования входного синфазного напряжения в выходной ток Sсс=iвых/uс будет близка к нулю, а Кос.сф≫1.As noted above, it is quite simple to ensure equality , α 1 = α 2 , in which at the output of the additional adder 23 there will be no components caused by the input common-mode signal, that is, the steepness of the conversion of the input common-mode voltage to the output current S cs = i out / u s will be close to zero, and K os. sf ≫1.
Коэффициент передачи дифференциального входного напряжения ДУ фиг.2 определяется по формулеThe transmission coefficient of the differential input voltage of the remote control of figure 2 is determined by the formula
Если (как это имеет место в ДУ фиг.3), тоIf (as is the case in the remote control of FIG. 3), then
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемых схем в среде PSpice с использованием моделей интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (г.Москва). Коэффициент ослабления синфазного входного сигнала ДУ фиг.4 превышает величину Kос.сф>105 (100 дБ) в достаточно широком диапазоне частот - до 5,6 МГц (фиг.5), а при низкоомной нагрузке (фиг.6) он больше в 107 (140 дБ) до частоты 1 МГц. Следует отметить, что данные значения Kос.сф значительно лучше аналогичных параметров лучших зарубежных операционных усилителей.The above findings are confirmed by the simulation results of the proposed circuits in the PSpice environment using integrated transistor models of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar (Moscow). The attenuation coefficient of the in-phase input signal of the remote control of Fig. 4 exceeds the value of K OS.sf > 10 5 (100 dB) in a fairly wide frequency range - up to 5.6 MHz (Fig. 5), and at low impedance load (Fig. 6) it is greater at 10 7 (140 dB) to a frequency of 1 MHz. It should be noted that these values of K os.sf are much better than similar parameters of the best foreign operational amplifiers.
Кроме этого, высокий Кос.сф получен без использования источников опорного тока во входном каскаде. Это достигнуто путем обеспечения полной симметрии ДУ и создания дополнительных условий взаимной компенсации систематических погрешностей усиления сигнала по двум идентичным каналам передачи со входов ДУ на его выход.In addition, a high K os.sf was obtained without using reference current sources in the input stage. This was achieved by ensuring complete symmetry of the remote control and creating additional conditions for the mutual compensation of systematic errors in signal amplification through two identical transmission channels from the remote control inputs to its output.
Путем совершенствования схемотехники инвертирующего повторителя тока 30 (фиг.3 и 4) - приближения его коэффициента усиления по току к единице в широком диапазоне частот, в заявляемом устройстве возможно получение высоких Кос.сф (100 ДБ) до частоты 26 МГц.By improving the circuitry of the inverting current repeater 30 (Figs. 3 and 4) - approximating its current gain to unity in a wide frequency range, in the inventive device it is possible to obtain high K OS.sf (100 dB) up to a frequency of 26 MHz.
В рассматриваемой схеме ДУ обеспечивается также высокая степень параметрической компенсации влияния температуры и радиации на э.д.с. смещения нуля, обусловленной смещением входных и выходных характеристик транзисторов.In the considered remote control scheme, a high degree of parametric compensation of the influence of temperature and radiation on the emf is also provided. zero bias due to the bias of the input and output characteristics of the transistors.
Источники информацииInformation sources
1. Полонников Д.Е. Операционные усилители: Принципы построения, теория, схемотехника. - М., 1983. - 216 с. - стр.156 рис.4.25.1. Polonnikov D.E. Operational amplifiers: principles of construction, theory, circuitry. - M., 1983. - 216 p. - p. 156 fig. 4.25.
2. Патент США №4131809, H 03 FK.2. US Patent No. 4,131,809, H 03 FK.
3. Патент США №3323070, H 03 F 3/45.3. US patent No. 33323070, H 03
4. Патент ЕР №1351381, А1, H 03 F 3/30.4. EP patent No. 1351381, A1, H 03
5. Патент США №5365191, H 03 F 3/45.5. US patent No. 5365191, H 03
6. Патент США №4511852, H 03 F 3/45.6. US patent No. 4511852, H 03
7. Патент США №6657465, H 03 F 3/45.7. US patent No. 6657465, H 03
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005123252/09A RU2292636C1 (en) | 2005-07-21 | 2005-07-21 | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005123252/09A RU2292636C1 (en) | 2005-07-21 | 2005-07-21 | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2292636C1 true RU2292636C1 (en) | 2007-01-27 |
Family
ID=37773553
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005123252/09A RU2292636C1 (en) | 2005-07-21 | 2005-07-21 | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2292636C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2462812C1 (en) * | 2011-08-10 | 2012-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Operating amplifier with low zero offset voltage |
RU2490783C1 (en) * | 2012-07-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface |
RU2604683C1 (en) * | 2015-09-15 | 2016-12-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Differential amplifier ambipolar currents |
RU2658818C1 (en) * | 2017-05-05 | 2018-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Differential voltage-current converter with wide range of linear operation |
-
2005
- 2005-07-21 RU RU2005123252/09A patent/RU2292636C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2462812C1 (en) * | 2011-08-10 | 2012-09-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Operating amplifier with low zero offset voltage |
RU2490783C1 (en) * | 2012-07-27 | 2013-08-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier for precision analogue-to-digital interface |
RU2604683C1 (en) * | 2015-09-15 | 2016-12-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Differential amplifier ambipolar currents |
RU2658818C1 (en) * | 2017-05-05 | 2018-06-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Differential voltage-current converter with wide range of linear operation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4990803A (en) | Logarithmic amplifier | |
AU706648B2 (en) | Temperature compensated logarithmic convertor | |
JPH0775289B2 (en) | Transconductance amplifier circuit | |
KR890001892B1 (en) | Voltage adder circuit | |
RU2292636C1 (en) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation | |
JPH07112132B2 (en) | Wideband differential amplifier | |
JPS6254242B2 (en) | ||
US10742184B2 (en) | Plural feedback loops instrumentation folded cascode amplifier | |
RU2293433C1 (en) | Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal | |
RU2433523C1 (en) | Precision differential operational amplifier | |
US7622991B2 (en) | Transconductance signal capacity format | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2319288C1 (en) | Differential amplifier using low-voltage power supply | |
RU2284647C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
RU2568318C1 (en) | Multidifferential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2416150C1 (en) | Differential operating amplifier | |
JPH03190308A (en) | Transformer conductance amplifier | |
RU2770912C1 (en) | Differential amplifier on arsenide-gallium field-effect transistors | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2394362C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2309531C1 (en) | Differential amplifier with expanded range of cophased signal change | |
JPH051649B2 (en) | ||
RU2337471C1 (en) | Cascode amplifier | |
Van Der Woerd et al. | Biasing a differential pair in low-voltage analog circuits: A systematic approach |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110722 |