RU2337471C1 - Cascode amplifier - Google Patents
Cascode amplifier Download PDFInfo
- Publication number
- RU2337471C1 RU2337471C1 RU2007129234/09A RU2007129234A RU2337471C1 RU 2337471 C1 RU2337471 C1 RU 2337471C1 RU 2007129234/09 A RU2007129234/09 A RU 2007129234/09A RU 2007129234 A RU2007129234 A RU 2007129234A RU 2337471 C1 RU2337471 C1 RU 2337471C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- transistor
- additional
- input
- collector
- 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 каскодных усилителей (КУ) на n-р-n (р-n-р) транзисторах, которые стали основой схемотехники более чем 20 серийных ОУ, 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 100 патентов в различных странах. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known cascode amplifiers (KUs) on n-pn (p-n-p) transistors, which became the basis of the circuitry of more than 20 serial op-amps produced as foreign ones (HA2520, HA5190, AD797, AD8631, AD8632, OP90, etc. ), and Russian (154UD3, etc.) microelectronic companies. Due to the high popularity of such a remote control architecture, more than 100 patents in various countries have been issued for their modification. The present invention relates to this subclass of devices.
Одной из модификаций каскодных усилителей (КУ) является схема фиг.1, представленная в публикациях [1-12]. Она используется в ОУ ряда зарубежных фирм (НА2539, ОР-90, ОР-42), а также в отечественных микросхемах 140УД30.One of the modifications cascode amplifiers (KU) is the circuit of figure 1, presented in publications [1-12]. It is used in the OS of a number of foreign companies (NA2539, OR-90, OR-42), as well as in domestic microcircuits 140UD30.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является каскодный усилитель, описанный в патенте США №6542030, содержащий первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is the cascode amplifier described in US patent No. 6542030, containing the
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий предельный коэффициент усиления по напряжению Kу.max.A significant disadvantage of the known DE is that it does not have a sufficiently high limiting voltage gain K у.max .
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении предельного коэффициента усиления по напряжению Kу.max. The main objective of the invention is to increase the maximum voltage gain K y.max.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный дифференциальный каскад 9, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору второго входного транзистора 6 и второму двухполюснику нагрузки 8, инвертирующий вход 4 связан с выходом каскодного усилителя 5, а выход подключен к базам первого 1 и второго 6 входных транзисторов.This goal is achieved in that in the differential amplifier of figure 1, containing the
Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2.A diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.3 и 4 показаны частные варианты построения дополнительного дифференциального каскада 9, соответствующие п.2 и п.3 формулы изобретения.Figure 3 and 4 show particular options for constructing an additional
На фиг.5 представлен КУ, соответствующий п.4 формулы изобретения.Figure 5 presents KU corresponding to
На фиг.6 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ для случая, когда дополнительный дифференциальный каскад 9 выполнен на основе фиг.3 (п.2 формулы изобретения).Figure 6 shows a diagram of an operational amplifier based on the claimed KU for the case when an additional
На фиг.7 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ для случая, когда дополнительный дифференциальный каскад 9 выполнен на основе фиг.4 (п.3 формулы изобретения).In Fig.7 shows a diagram of an operational amplifier based on the claimed KU for the case when an additional
На фиг.8 показана схема операционного усилителя на основе заявляемого КУ, соответствующего структурной схеме фиг.5 (п.4 формулы изобретения).On Fig shows a diagram of an operational amplifier based on the inventive KU corresponding to the structural diagram of figure 5 (
На фиг.9 и 10 показаны схемы операционного усилителя на основе известного КУ-прототипа (фиг.9) и предлагаемого КУ (фиг.10) в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.11 представлены результаты их компьютерного моделирования.Figures 9 and 10 show the operational amplifier circuitry based on the well-known KU-prototype (Fig. 9) and the proposed KU (Fig. 10) in the PSpice computer simulation environment, and Fig. 11 shows the results of their computer simulation.
На фиг.12 показана схема операционного усилителя, соответствующего фиг.7 в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.13 представлены результаты компьютерного моделирования данной схемы, а также схемы КУ-прототипа фиг.9.On Fig shows a diagram of the operational amplifier corresponding to Fig.7 in the computer simulation environment PSpice, and Fig.13 presents the results of computer simulations of this circuit, as well as the scheme of the KU-prototype of Fig.9.
На фиг.14 и 15 показаны схемы предлагаемого (фиг.14) и известного (фиг.15) КУ в структуре операционных усилителей для случая, когда в качестве двухполюсников нагрузки 4 и 8 используются резисторы, а на фиг.16 представлены сравнительные результаты их компьютерного моделирования.On Fig and 15 shows a diagram of the proposed (Fig) and known (Fig) KU in the structure of operational amplifiers for the case when resistors are used as two-
На фиг.17 представлена схема одного из вариантов предлагаемого (фиг.8) КУ в структуре операционного усилителя в среде компьютерного моделирования PSpice, а на фиг.18 представлены результаты расчета амплитудно-частотных характеристик сравниваемых КУ.On Fig presents a diagram of one of the options proposed (Fig) KU in the structure of the operational amplifier in the computer simulation environment PSpice, and Fig. 18 presents the results of calculating the amplitude-frequency characteristics of the compared KU.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый входной транзистор 1, эмиттер которого соединен с первым входом 2 каскодного усилителя и первым вспомогательным резистором 3, первый двухполюсник нагрузки 4, который соединен с коллектором первого входного транзистора 1 и первым выходом 5 каскодного усилителя, второй вспомогательный транзистор 6, эмиттер которого соединен со вторым вспомогательным резистором 7, база подключена к базе первого входного транзистора 1, а коллектор связан со вторым двухполюсником нагрузки 8. В схему введен дополнительный дифференциальный каскад 9, неинвертирующий вход которого подключен к коллектору второго входного транзистора 6 и второму двухполюснику нагрузки 8, инвертирующий вход связан с выходом каскодного усилителя 5, а выход подключен к базам первого 1 и второго 6 входных транзисторов.The differential amplifier of figure 2 contains a
В частном случае на фиг.3 в соответствии с п.2 формулы изобретения дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе первого дополнительного транзистора 10, коллектор которого является выходом дополнительного дифференциального каскада, эмиттер - неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а база - инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада.In the particular case of Fig. 3, in accordance with
На фиг.4 в соответствии с п.3 формулы изобретения дополнительный дифференциальный каскад выполнен на основе второго 11 и третьего 12 дополнительных транзисторов, объединенные эмиттеры которых подключены к источнику опорного тока 13, причем база второго дополнительного транзистора является неинвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, база третьего дополнительного транзистора 12 является инвертирующим входом дополнительного дифференциального каскада, а коллектор третьего дополнительного транзистора 12 - выходом дополнительного дифференциального каскада.In Fig. 4, in accordance with
На фиг.5 в соответствии с п.4 формулы изобретения инвертирующий вход дополнительного дифференциального каскада 1 связан с выходом 5 каскодного усилителя через дополнительный буферный усилитель 14, выход которого 15 является вспомогательным выходом расходного усилителя.In Fig. 5, in accordance with
На фиг.6, 7 и 8, которые иллюстрируют применение предлагаемого КУ в схемах различных операционных усилителей, ко входам 2 и 16 КУ подключен входной дифференциальный каскад на транзисторах 17, 18 и источнике тока 19.6, 7 and 8, which illustrate the application of the proposed KU in the circuits of various operational amplifiers, an input differential stage on
Рассмотрим работу заявляемого ДУ.Consider the work of the claimed remote control.
Коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа фиг.1 зависит от величины эквивалентной выходной проводимости уэ узла 5:The voltage gain of the remote control prototype of figure 1 depends on the value of the equivalent output conductivity of the e node 5:
где - крутизна усиления сигнала со входа 2 КУ на выход 5 при коротком замыкании по выходу.Where - the steepness of the amplification of the signal from
Проводимость уэ складывается из трех составляющих (фиг.1) - выходной проводимости транзистора 1 (у1), выходной проводимости двухполюсника нагрузки (у4), обеспечивающего статический режим транзистора 1, и проводимости собственной нагрузки ун:The conductivity at e consists of three components (Fig. 1) - the output conductivity of the transistor 1 ( 1 ), the output conductivity of a two-terminal load ( 4 ), providing a static mode of the
При высокоомной нагрузке (ун=0) и типовом построении двухполюсника нагрузки 4 на современных (например, SiGe) транзисторах с малым напряжением Эрли преобладает составляющая у4, так как при R3>>φт/Iэ1 выполняется условие у4>>y1, где φт=26 мВ - температурный потенциал, Iэ1 - статический ток эмиттера транзистора 1, R3 - сопротивление резистора 3. Поэтому в данных условиях предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипаWith a high-impedance load (y n = 0) and the typical construction of a two-
В заявляемом устройстве фиг.2 обеспечивается взаимная компенсация в узле 5 двух идентичных проводимостей у4 и у8 двухполюсников нагрузки 4 и 8. Действительно, изменение выходного напряжения в узле 5 на величину uвых=u5 передается (с единичным коэффициентом усиления по напряжению) в коллектор транзистора 6 (), что порождает в схеме фиг.2 появление токовIn the inventive device of figure 2, mutual compensation is provided in
При идентичных сопротивлениях резисторов 3 и 7 (R3=R7) приращение тока i8 за счет отрицательной обратной связи по петле «усилитель 9 - транзистор 6» передается в коллектор транзистора 6 (iк6≈i8) и создает затем в коллекторной цепи транзистора 1 приращение тока iк1≈i8, которое компенсирует приращение тока i4 через выходную проводимость у4:With identical resistances of
где Ki≈1 - коэффициент передачи по току i8 от вывода коллектора транзистора 6 на выход 5 КУ.where K i ≈1 is the current transfer coefficient i 8 from the output of the collector of
В результате в узле 5 суммарное приращение тока уменьшаетсяAs a result, in
Или после преобразований формулы (7)Or after transformations of the formula (7)
Таким образом, эффективное значение выходной проводимости двухполюсника 4Thus, the effective value of the output conductivity of the two-
где Ki≈1;where K i ≈1;
КY=у8/у4≈1 - коэффициент асимметрии выходных проводимостей двухполюсников нагрузки 4 и 8.To Y = y 8 / y 4 ≈1 is the asymmetry coefficient of the output conductivity of the two-
Так как двухполюсники нагрузки 4 и 8 выполняются идентичными, то KY≈1. Поэтому выигрыш по предельному коэффициенту усиления, который реализуется в заявленной схеме при данных ограничениях на ун и у1, достигает значений Nк>>1, гдеSince the
В этих условиях предельные значения Ку.max в схеме фиг.2 ограничивается величинойUnder these conditions, the limiting values of K y.max in the scheme of figure 2 is limited to
где ун - проводимость нагрузки, y1 - выходная проводимость транзистора 1. Однако при рациональном выборе параметров элементов у4, ун, у1 и у8 в предлагаемой схеме обеспечивается дальнейшее повышение Kу.max. where y n is the conductivity of the load, y 1 is the output conductivity of the
Действительно, первая существенная особенность предлагаемого КУ состоит в том, что в нем обеспечивается взаимная компенсация не только выходных проводимостей двухполюсников нагрузки 8 и 4, но и выходных проводимостей транзисторов 1 и 6, а также выходной проводимости ун, подключаемой к выходному узлу 5.Indeed, the first essential feature of the proposed CG is that it provides not only the mutual compensation of the output conductances two-
Общее условие минимизации влияния ун, у1, у4 на Ку.max имеет следующий вид:The general condition for minimizing the influence of y n , y 1 , y 4 on K y max is as follows:
где - проводимость дополнительной нагрузки (эквивалента ун), специально подключаемой к коллектору транзистора 6 для минимизации влияния ун на Ку.max. Where - the conductivity of the additional load (equivalent to n ), specially connected to the collector of
Учитывая, что у8=у4, у1=у6, , в схеме фиг.2 обеспечивается полная компенсация всех паразитных импедансов, определяющих предельный коэффициент усиления Ку.Given that y 8 = y 4 , y 1 = y 6 , , in the circuit of figure 2 provides full compensation of all spurious impedances that determine the limiting gain K y .
Вторая существенная особенность КУ фиг.4 - возможность применения резисторов в качестве двухполюсников 4 и 8 (фиг.14).The second significant feature of the control unit of Fig. 4 is the possibility of using resistors as bipolar 4 and 8 (Fig. 14).
Третья существенная особенность предлагаемого КУ - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 6 по напряжению коллектор-базы. В сравнении с прототипом и другими известными схемами КУ это существенно уменьшает э.д.с. смещения нуля ОУ на его основе.The third essential feature of the proposed KU is the high symmetry of the static mode of
Четвертая существенная особенность заявляемого КУ - высокая симметрия статического режима транзисторов 1 и 6 по величине коллекторного тока. Это обеспечивается, например, применением в качестве подсхемы 9 дифференциального каскада фиг.4 с одинаковыми токами базы входных транзисторов. В целом это уменьшает статические погрешности ОУ на основе предлагаемого устройства.The fourth essential feature of the claimed KU is the high symmetry of the static mode of
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №4600893.1. US patent No. 4600893.
2. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.243-244.2. Operational amplifiers and comparators [Text]. - M .: Dodeka-XXI Publishing House, 2001. - S.243-244.
3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст] / В.В.Матавкин. - М., «Радио и связь», 1989.3. Matavkin VV High-speed operational amplifiers [Text] / V.V. Matavkin. - M., "Radio and Communications", 1989.
4. Патент США №6456162.4. US Patent No. 6456162.
5. Патент США №6501333.5. US patent No. 6501333.
6. Патент США №6542030.6. US patent No. 6542030.
7. Патент США №4293824.7. US patent No. 4293824.
8. Патент США №5734296.8. US Patent No. 5734296.
9. Патент США №5420540.9. US patent No. 5420540.
10. Патент США №5523718.10. US patent No. 5523718.
11. Патент США №4644295.11. US patent No. 4644295.
12. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. - М., Радиософт, 2002. - С.87, рис.5.20, 5.21.12. Ezhkov Yu.S. Handbook of amplifier circuitry. - M., Radiosoft, 2002. - P.87, Fig. 5.20, 5.21.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129234/09A RU2337471C1 (en) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Cascode amplifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007129234/09A RU2337471C1 (en) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Cascode amplifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2337471C1 true RU2337471C1 (en) | 2008-10-27 |
Family
ID=40042207
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007129234/09A RU2337471C1 (en) | 2007-07-30 | 2007-07-30 | Cascode amplifier |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2337471C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2780357C1 (en) * | 2022-02-07 | 2022-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Multi-stage cascode amplifier with series power fet |
-
2007
- 2007-07-30 RU RU2007129234/09A patent/RU2337471C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2780357C1 (en) * | 2022-02-07 | 2022-09-21 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Multi-stage cascode amplifier with series power fet |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2365969C1 (en) | Current mirror | |
RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2292636C1 (en) | Differential amplifier characterized in enhanced common-mode signal attenuation | |
RU2337471C1 (en) | Cascode amplifier | |
RU2365029C1 (en) | Cascode difference amplifier with low offset voltage | |
RU2455757C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2321158C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2433523C1 (en) | Precision differential operational amplifier | |
RU2367996C1 (en) | Current mirror | |
RU2449466C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2319288C1 (en) | Differential amplifier using low-voltage power supply | |
RU2416149C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero offset voltage | |
RU2319291C1 (en) | Cascade differential amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2394362C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2370879C1 (en) | Complementary push-pull cascode differential amplifier | |
RU2331972C1 (en) | Differential amplifier with high voltage amplification factor | |
RU2343627C1 (en) | Current mirror | |
RU2400925C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2411644C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
CN114690832B (en) | Current generating circuit, logarithmic amplifier and logarithmic slope stability improving method thereof | |
US11742803B2 (en) | Amplifier circuit | |
RU2401508C1 (en) | Differential operating amplifier with low zero-shift voltage |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120731 |