RU2310268C1 - Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием - Google Patents
Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием Download PDFInfo
- Publication number
- RU2310268C1 RU2310268C1 RU2006111143/09A RU2006111143A RU2310268C1 RU 2310268 C1 RU2310268 C1 RU 2310268C1 RU 2006111143/09 A RU2006111143/09 A RU 2006111143/09A RU 2006111143 A RU2006111143 A RU 2006111143A RU 2310268 C1 RU2310268 C1 RU 2310268C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- auxiliary
- transistor
- main
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиотехнике и связи. Технический результат заключается в расширении полосы пропускания. Каскодный дифференциальный усилитель (КДУ) содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1), имеющий первый (2) основной инвертирующий и второй (3) основной неинвертирующий выходы, выходные (4) и (5) транзисторы (Т) с объединенными базами, которые подключены к источнику напряжения смещения (6), первый (7) и второй (8) токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами выходных (4) и (5) Т, причем первый (3) основной инвертирующий выход ДК (1) подключен к эмиттеру второго (5) выходного Т, коллектор которого соединен с выходом (9) КДУ. При этом ДК (1) включен по схеме с первым основным (2) и первым вспомогательным (10) инвертирующими выходами, причем первый вспомогательный инвертирующий выход (10) подключен к эмиттеру первого (4) выходного Т, коллектор первого выходного Т (4) соединен с эмиттером первого вспомогательного Т (11), включенного по схеме с общей базой и третьим дополнительным токостабилизирующим двухполюсником (12), а коллектор первого вспомогательного Т (11) соединен с выходом (9) КДУ. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, быстродействующих операционных усилителях (ОУ)).
Известны схемы так называемых «перегнутых» каскадных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-р-n и р-n-р транзисторах [1-37], которые стали основой более чем 20 серийных операционных усилителей, выпускаемых как зарубежными (НА2520, НА5190, AD797, AD8631, AD8632, ОР90 и др.) так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 200 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5.786.729 (рис.2а), содержащий входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 основной инвертирующий и второй 3 основной неинвертирующий выходы, выходные 4 и 5 транзисторы с объединенными базами, которые подключены к источнику напряжения смещения 6, первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами выходных 4 и 5 транзисторов, причем первый 3 основной инвертирующий выход входного дифференциального каскада подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора, коллектор которого соединен с выходом 9 каскодного дифференциального усилителя.
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1 состоит в том, что он имеет недостаточно широкую полосу пропускания для малых входных сигналов, что отрицательно сказывается на динамических параметрах различных аналоговых устройств на его основе.
Это обусловлено тем, что ДУ фиг.1 имеет два канала передачи сигналов, причем один из них, содержащий токовое зеркало ПТ1, характеризуется высокой инерционностью, что отрицательно влияет на амплитудно-частотную характеристику ДУ в целом. В этой связи токовое зеркало часто выключают на высоких частотах конденсатором Ск (фиг.2) [1]. Однако наличие двух параллельных каналов с разной инерционностью, как показано в [37], ухудшает динамические параметры ДУ.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в расширении полосы пропускания дифференциального усилителя.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый 2 основной инвертирующий и второй 3 основной неинвертирующий выходы, выходные 4 и 5 транзисторы с объединенными базами, которые подключены к источнику напряжения смещения 6, первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами выходных 4 и 5 транзисторов, причем первый 3 основной инвертирующий выход входного дифференциального каскада подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора, коллектор которого соединен с выходом 9 каскодного дифференциального усилителя, вводятся новые элементы и связи - входной дифференциальный каскад 1 включен по схеме с двумя инвертирующими выходами 2 и 10 (первым основным 2 и первым вспомогательным 10), причем первый вспомогательный инвертирующий выход 10 подключен к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, коллектор первого выходного транзистора 4 соединен с эмиттером первого вспомогательного транзистора 11, включенного по схеме с общей базой и третьим дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 12, а коллектор первого вспомогательного транзистора 11 соединен с выходом 9 каскодного усилителя.
Схема усилителя-прототипа представлена на фиг.1, а его частный вариант построения - на фиг.2. На фиг.3 показано заявляемое устройство в соответствии с п.1 и п.2 формулы изобретения.
На фиг.4-5 показаны схемы известного устройства (фиг.1, 2) в среде компьютерного моделирования PSpice с разными вариантами построения токового зеркала, а на фиг.6 - заявляемого ДУ. На фиг.7 приведены амплитудно-частотные характеристики крутизны ДУ (S=IH/UВХ) при различных значениях инерционности у повторителя тока ПТ1 (фиг.4, 5).
Дифференциальный усилитель фиг.3 содержит входной дифференциальный каскад 1, имеющий первый 2 основной инвертирующий и второй 3 основной неинвертирующий выходы, выходные 4 и 5 транзисторы с объединенными базами, которые подключены к источнику напряжения смещения 6, первый 7 и второй 8 токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами выходных 4 и 5 транзисторов, причем первый 3 основной инвертирующий выход входного дифференциального каскада подключен к эмиттеру второго 5 выходного транзистора, коллектор которого соединен с выходом 9 каскодного дифференциального усилителя. Входной дифференциальный каскад 1 включен по схеме с первым основным 2 и первым вспомогательным 10 инвертирующими выходами, причем первый вспомогательный инвертирующий выход 10 подключен к эмиттеру первого 4 выходного транзистора, коллектор первого выходного транзистора 4 соединена с эмиттером первого вспомогательного транзистора 11, включенного по схеме с общей базой и третьим дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 12, а коллектор первого вспомогательного транзистора 11 соединен с выходом 9 каскодного усилителя.
В частном случае (фиг.3) входной дифференциальный каскад 1 реализован на четырех однотипных вспомогательных транзисторах 13-16 и источнике опорного тока 17.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.3.
В статическом режиме коллекторные токи транзисторов 4 и 5 равны и соответствуют половине тока источника 12.
Если напряжение на входе 18 (Вх.1) получает положительное приращение 
, то это вызывает перераспределение тока I17 между транзисторами 13-14 и 15-16. Как следствие, токи выходов 2 и 10 увеличиваются
где У21 - крутизна преобразования в токи выходов 2 и 10.
В частном случае (фиг.3) на низких частотах
где rЭ - сопротивление эмиттерного перехода идентичных транзисторов 13-16.
Приращение выходного тока 
поступает в эмиттер транзистора 5, а затем - в цепь нагрузки Rн с коэффициентом передачи α5, где α5≈1 - коэффициент усиления транзистора 5 по току эмиттера.
С другой стороны, выходной ток 
также передается с коэффициентом α4≈1, а затем α11 на выход каскада 9. Таким образом, ток в нагрузке Rн является суммой двух токов
Причем
Следует заметить, что заявляемый ДУ является двухтактным каскадом - ток 
в нагрузке Rн обеспечивается за счет уменьшения тока коллектора транзистора 5 и увеличения тока коллектора транзистора 11. При другой полярности 
приращение 
создается увеличением тока коллектора транзистора 5 и уменьшением тока коллектора транзистора 11.
В качестве двухполюсников 7, 8, 12 могут использоваться низкоомные резисторы.
Заявляемый ДУ достаточно эффективен в структуре широкополосных операционных усилителей с низковольтным питанием, так как предельный диапазон изменения его выходного напряжения отличается от Еп на ±0,8 В.
Выполненный выше анализ работы ДУ позволяет объяснить эффект расширения полосы пропускания заявляемого устройства следующим образом. В схеме фиг.3 исключены инерционные каналы передачи сигнала от токовых выходов 2 и 10 в нагрузку при сохранении основных положительных качеств ДУ-прототипа.
Действительно, из формулы (4) следует, что на высоких частотах комплекс тока в нагрузке
где 
- комплекс крутизны входного ДУ;
Таким образом, в заявляемом устройстве коэффициент 
в диапазоне частот, близком к ωα=2πfα применяемых транзисторов. Для современных интегральных транзисторов fα=2-20 ГГц. Поэтому в ДУ фиг.3 минимизируется влияние выходной подсхемы на частотные характеристики, а основные эффекты уменьшения коэффициента усиления определяются входным каскадом.
Это позволяет создавать на основе ДУ фиг.3 операционные усилители с предельно возможными значениями полосы пропускания и других динамических параметров [37].
Результаты компьютерного моделирования ДУ фиг.4-6, представленные на фиг.7, подтверждают, что заявляемое устройство имеет более высокие значения верхней граничной частоты.
Предлагаемый ДУ может использоваться в структуре быстродействующих операционных усилителей с предельными значениями полосы пропускания.
Источники информации
1. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - с.74, рис.4.15, стр.98, рис.6.7.
2. Патент США №6.218.900, фиг.1.
3. Патентная заявка US 2002/0196079.
4. Патент США №6.788.143.
5. Патент США №3.644.838, фиг.2.
6. Патент США №5.529.076.
7. Патент ЕР 1.227.580.
8. Патент США №6.714.076.
9. Патент США №5.786.729.
10. Патент США №5.327.100.
11. Патентная заявка US 2004/0090268 A1.
12. Патент США №4.274.061.
13. Патент США №5.422.600, фиг.2.
14. Патент США №6.788.143, фиг.2.
15. Патент США №4.959.622, фиг.1.
16. Патент США №4.406.990, фиг.4.
17. Патент США №5.418.491.
18. Патент США №6.018.268.
19. Патент США №5.952.882.
20. Патент США №4.723.111.
21. Патент США №4.293.824.
22. Патент США №6.580.325.
23. Патент США №6.965.266.
24. Патент США №6.867.643.
25. Патент США №6.236.270.
26. Патент США №5.323.121.
27. Патент США №6.229.394.
28. Патент США №5.734.296.
29. Патент США №5.477.190.
30. Патент США №5.091.701.
31. Патент США №6.717.474.
32. Патент США №6.084.475.
33. Патент США №3.733.559.
34. Патентная заявка US 2005/0001682 А1.
35. Патент США №6.300.831.
36. Патент Re 30.587.
37. Прокопенко Н.Н. Динамика микроэлектронных операционных усилителей на основе «перегнутых» каскадов / Н.Н.Прокопенко, А.С.Будяков // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2004. №6 - С.68-73.
Claims (2)
1. Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием, содержащий входной дифференциальный каскад (1), имеющий первый (2) основной инвертирующий и второй (3) основной неинвертирующий выходы, выходные (4) и (5) транзисторы с объединенными базами, которые подключены к источнику напряжения смещения (6), первый (7) и второй (8) токостабилизирующие двухполюсники, связанные с эмиттерами выходных (4) и (5) транзисторов, причем первый (3) основной инвертирующий выход входного дифференциального каскада подключен к эмиттеру второго (5) выходного транзистора, коллектор которого соединен с выходом (9) каскодного дифференциального усилителя, отличающийся тем, что входной дифференциальный каскад (1) включен по схеме с первым основным (2) и первым вспомогательным (10) инвертирующими выходами, причем первый вспомогательный инвертирующий выход (10) подключен к эмиттеру первого (4) выходного транзистора, коллектор первого выходного транзистора (4) соединен с эмиттером первого вспомогательного транзистора (11), включенного по схеме с общей базой и третьим дополнительным токостабилизирующим двухполюсником (12), а коллектор первого вспомогательного транзистора (11) соединен с выходом (9) каскодного дифференциального усилителя.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входной дифференциальный каскад содержит четыре однотипных вспомогательных транзистора (13), (14, (15) и (16), эмиттеры которых объединены и соединены с источником опорного тока (17), причем базы первого (13) и второго (14), а также базы третьего (15) и четвертого (16) однотипных вспомогательных транзисторов попарно объединены и соединены с соответствующими входами (18) и (19) каскодного дифференциального усилителя, а коллекторы первого (13) и второго (14) однотипных вспомогательных транзисторов соединены с первым (2) основным и вторым (10) вспомогательным инвертирующими выходами входного дифференциального каскада.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111143/09A RU2310268C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006111143/09A RU2310268C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2310268C1 true RU2310268C1 (ru) | 2007-11-10 |
Family
ID=38958391
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006111143/09A RU2310268C1 (ru) | 2006-04-05 | 2006-04-05 | Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2310268C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444117C1 (ru) * | 2011-02-14 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2444116C1 (ru) * | 2011-02-09 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2467468C1 (ru) * | 2011-10-20 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель тока |
-
2006
- 2006-04-05 RU RU2006111143/09A patent/RU2310268C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444116C1 (ru) * | 2011-02-09 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2444117C1 (ru) * | 2011-02-14 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2467468C1 (ru) * | 2011-10-20 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель тока |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100346989B1 (ko) | 차동전압을 전평형전류로 변환하는 장치 및 방법 | |
| CA2289212C (en) | Active phase splitter | |
| JPH0786850A (ja) | 完全差動演算増幅器、および差動演算増幅器における同相再構築の方法 | |
| JP2007174029A (ja) | 利得可変回路及びそれを用いた自動利得制御増幅器 | |
| RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
| US8823450B2 (en) | Multiple-output transconductance amplifier based instrumentation amplifier | |
| US6642788B1 (en) | Differential cascode amplifier | |
| US5495201A (en) | Transconductor stage | |
| KR100891221B1 (ko) | 가변이득 증폭기 및 필터회로 | |
| JPH077342A (ja) | 差動増幅器 | |
| RU2310268C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с низковольтным питанием | |
| US6545502B1 (en) | High frequency MOS fixed and variable gain amplifiers | |
| EP1254511B1 (en) | Differential amplifier with gain substantially independent of temperature | |
| KR100321660B1 (ko) | 가변레벨시프터및멀티플라이어 | |
| RU2346388C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2383099C2 (ru) | Дифференциальный усилитель с низкоомными входами | |
| RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| JP5007937B2 (ja) | 減衰器 | |
| US7312658B2 (en) | Differential amplifier with two outputs and a single input of improved linearity | |
| RU2320078C1 (ru) | Комплементарный дифференциальный усилитель | |
| JP6673645B2 (ja) | 差動増幅器 | |
| RU2293433C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным ослаблением входного синфазного сигнала | |
| GB2193059A (en) | Voltage follower circuit | |
| JPH0793543B2 (ja) | 電圧リピ−タ回路 | |
| US6037838A (en) | Amplifier with programmable gain and input linearity usable in high-frequency lines |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110406 |