RU2393628C1 - Differential amplifier with increased input resistance - Google Patents
Differential amplifier with increased input resistance Download PDFInfo
- Publication number
- RU2393628C1 RU2393628C1 RU2009110052/09A RU2009110052A RU2393628C1 RU 2393628 C1 RU2393628 C1 RU 2393628C1 RU 2009110052/09 A RU2009110052/09 A RU 2009110052/09A RU 2009110052 A RU2009110052 A RU 2009110052A RU 2393628 C1 RU2393628 C1 RU 2393628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- additional
- transistor
- auxiliary
- output
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов датчиков с высоким внутренним сопротивлением, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, операционных усилителях (ОУ), широкополосных и избирательных усилителях, фильтрах и т.п.).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals of sensors with high internal resistance, in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps), broadband and selective amplifiers, filters, etc. )
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) с параллельным включением двух параллельно-балансных каскадов на разнотипных транзисторах [1-19]. На их модификации выдано более 20 патентов для ведущих микроэлектронных фирм мира. Дифференциальные усилители данного класса, наряду с одиночными параллельно-балансными каскадами, стали основным усилительным элементом многих микросхем аналоговых интерфейсов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.Known schemes of differential amplifiers (DE) with the parallel inclusion of two parallel-balanced cascades on heterogeneous transistors [1-19]. Over 20 patents have been issued for their modification for leading microelectronic companies in the world. Differential amplifiers of this class, along with single parallel-balanced stages, have become the main amplifying element of many analog interface circuits. The present invention relates to this subclass of devices.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, представленный в устройстве по патенту США №5.153.529, содержащий входной параллельно-балансный каскад 1 на биполярных транзисторах, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 основные токовые выходы, связанные с цепью нагрузки 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1, а эмиттеры соединены друг с другом и подключены к выходу 9 вспомогательного токового зеркала 10.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a differential amplifier, presented in the device according to US patent No. 5.153.529, containing an input parallel-
Данная структура ДУ присутствует также в патентах US №4.555.673, 5.610.557, 4.797.631, 6.963.244, 4.358.739, 5.153.529.This structure of DE is also present in US patents No. 4,555.673, 5.610.557, 4.797.631, 6.963.244, 4.358.739, 5.153.529.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет небольшое входное дифференциальное сопротивление (Rвх), зависящее от абсолютных значений коэффициента усиления по току базы (β) применяемых транзисторов и их статического режима. Для повышения в известных ДУ применяется местная отрицательная обратная связь (вводятся эмиттерные резисторы). Однако при этом ухудшаются многие параметры ДУ - коэффициент усиления по напряжению, напряжение смещения нуля, коэффициент подавления помехи по питанию, крутизна усиления ДУ и др.A significant drawback of the known remote control is that it has a small input differential resistance (R I ), depending on the absolute values of the current gain of the base (β) of the transistors used and their static mode. For increase known remote controls use local negative feedback (emitter resistors are introduced). However, at the same time, many parameters of the remote control deteriorate - the voltage gain, the bias voltage, the suppression coefficient of the power supply noise, the gain of the remote control, etc.
Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении на один-два порядка входного сопротивления ДУ без ухудшения его крутизны и ряда других параметров.The main objective of the invention is to increase by one or two orders of magnitude the input resistance of the remote control without impairing its steepness and a number of other parameters.
Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 на биполярных транзисторах, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 основные токовые выходы, связанные с цепью нагрузки 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1, а эмиттеры соединены друг с другом и подключены к выходу 9 вспомогательного токового зеркала 10, предусмотрены новые элементы и связи - входной параллельно-балансный каскад 1 содержит первый 11 дополнительный токовый выход, синфазный с первым 4 основным токовым выходом, второй 12 дополнительный токовый выход, синфазный со вторым 5 основным токовым выходом, причем первый 11 и второй 12 дополнительные токовые выходы связаны с эмиттером дополнительного транзистора 13, база которого соединена со входом 14 вспомогательного токового зеркала 10, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора связан со вторым 3 входом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор второго 8 вспомогательного транзистора связан с первым 2 входом входного параллельно-балансного каскада 1.This goal is achieved by the fact that in the differential amplifier (figure 1), containing the input parallel-
На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.2 формулы изобретения.Figure 3 presents a diagram of the inventive device in accordance with
На фиг.4 представлена схема токового зеркала 10 заявляемого устройства в соответствии с п.4 формулы изобретения.Figure 4 presents a diagram of the
На фиг.5 представлена схема токового зеркала 10 заявляемого устройства в соответствии с п.5 формулы изобретения.Figure 5 presents a diagram of the
На фиг.6 приведена схема, соответствующая фиг.3, в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НЛП «Пульсар».Figure 6 shows the diagram corresponding to figure 3, in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors FSUE NLP "Pulsar".
На фиг.7 приведены графики температурной зависимости входного тока ДУ-прототипа при R3=1,1 кОм и ДУ, соответствующего фиг.1, которые показывают, что при комнатной температуре предлагаемое устройство имеет более чем в 40 раз меньший входной ток.Figure 7 shows graphs of the temperature dependence of the input current of the remote control prototype at R 3 = 1.1 kOhm and the remote control corresponding to figure 1, which show that at room temperature the proposed device has more than 40 times lower input current.
На фиг.8 показаны частотные зависимости входных сопротивлений заявляемого (фиг.6 при R3=1,1 кОм) и известного дифференциальных усилителей, из которых следует, что входное сопротивление предлагаемой схемы фиг.6 в 150-200 раз больше, чем в ДУ-прототипе.On Fig shows the frequency dependence of the input resistances of the claimed (Fig.6 with R 3 = 1.1 kOhm) and known differential amplifiers, from which it follows that the input impedance of the proposed circuit of Fig.6 is 150-200 times greater than in the remote control prototype.
Дифференциальный усилитель (фиг.2) содержит входной параллельно-балансный каскад 1 на биполярных транзисторах, имеющий первый 2 и второй 3 входы, первый 4 и второй 5 основные токовые выходы, связанные с цепью нагрузки 6, первый 7 и второй 8 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с первым 2 и вторым 3 входами входного параллельно-балансного каскада 1, а эмиттеры соединены друг с другом и подключены к выходу 9 вспомогательного токового зеркала 10. Входной параллельно-балансный каскад 1 содержит первый И дополнительный токовый выход, синфазный с первым 4 основным токовым выходом, второй 12 дополнительный токовый выход, синфазный со вторым 5 основным токовым выходом, причем первый 11 и второй 12 дополнительные токовые выходы связаны с эмиттером дополнительного транзистора 13, база которого соединена со входом 14 вспомогательного токового зеркала 10, коллектор первого 7 вспомогательного транзистора связан со вторым 3 входом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор второго 8 вспомогательного транзистора связан с первым 2 входом входного параллельно-балансного каскада 1.The differential amplifier (figure 2) contains an input parallel-
На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 11 и второй 12 дополнительные токовые выходы входного параллельно-балансного каскада связаны с эмиттером дополнительного транзистора 13 через вспомогательный двухполюсник 20.In Fig. 3, in accordance with
Кроме этого, в соответствии с п.3 формулы изобретения, коэффициент передачи по току вспомогательного токового зеркала 10 схем фиг.2 и фиг.3 близок к двум единицам.In addition, in accordance with
На фиг.4, в соответствии с п.4 формулы изобретения, дополнительное токовое зеркало 10 содержит первый транзистор 20, база которого соединена со входом токового зеркала 14, а коллектор - с его выходом 9, дополнительный p-n-переход 21, первый 22 и второй 23 вспомогательные резисторы, первую цепь смещения потенциалов на основе p-n-переходов 24, причем первый вспомогательный резистор 22, первая цепь смещения потенциалов на основе p-n-переходов 24 и второй вспомогательный резистор 23 соединены последовательно, общий узел первой цепи смещения потенциалов на основе p-n-переходов 24 и первого вспомогательного резистора 22 соединен с эмиттером первого транзистора 20 и первым выводом дополнительного p-n-перехода 21, второй вывод которого соединен со входом 14 токового зеркала, причем площадь p-n-перехода транзистора 20 приблизительно в два раза больше площади эмиттерной области дополнительного p-n-перехода 21.In Fig. 4, in accordance with
На фиг.5, в соответствии с п.5 формулы изобретения, дополнительное токовое зеркало 10 содержит второй 25 и третий 26 транзисторы, база второго транзистора 25 соединена с эмиттером третьего транзистора 26 и первым выводом дополнительного двухполюсника 27, коллектор второго транзистора 25 связан со входом токового зеркала 14 и базой третьего транзистора 26, а коллектор третьего транзистора 26 подключен к выходу токового зеркала 9, третий 28 и четвертый 29 дополнительные резисторы, и вторую цепь смещения потенциалов на основе p-n-переходов 30, причем третий дополнительный резистор 28, вторая цепь смещения потенциалов на основе p-n-переходов 30 и четвертый дополнительный резистор 29 соединены последовательно, а общий узел второй цепи смещения потенциалов на основе p-n-переходов 30 и третьего дополнительного резистора 28 подключен к эмиттеру второго транзистора 25 и второму выводу дополнительного двухполюсника 27.In Fig. 5, in accordance with
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2).Consider the operation of the remote control (figure 2).
В статическом режиме статические входные токи ДУ Iвх.1 и Iвх.2 определяются разностью токов базы входных транзисторов дифференциального каскада 1 и коллекторных токов транзисторов 7 и 8:In the static mode, the static input currents of the remote control I input 1 and I input 2 are determined by the difference between the base currents of the input transistors of the
где Iк7, Iк8 - коллекторные токи транзисторов 7 и 8;where I k7 , I k8 - collector currents of
Iл - входной статический ток каскада 1 по левому входу;I l - input static current of
Iп - входной статический ток каскада 1 по его правому входу.I p - input static current of
Если учесть, что коэффициент передачи тока подсхемы 10 близок к двум единицам (Ki12=2), а Iл≈Iк8=Iп=I7=2Iб, то из (1) и (2) следует, что входные токи ДУ фиг.2 близки к нулю: Iвх.1≈0, Iвх.2≈0. Это первое достоинство предлагаемой схемы.If we take into account that the current transfer coefficient of the
Второе преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что в схеме фиг.2 обеспечивается компенсация не только статических входных токов Iвх.1 и Iвх.2, но и их приращений iвх.1 и iвх.2. Как следствие, входное сопротивление ДУ фиг.2 для переменного тока существенно повышается. Действительно, при увеличении напряжения uвх на входе 2 относительно входа 3 увеличивается ток базы каждого из двух параллельно включенных входных транзисторов каскада 1:The second advantage of the proposed device is that in the circuit of figure 2, compensation is provided not only for the static input currents I input 1 and I input 2 , but also their increments i input 1 and i input 2 . As a result, the input resistance of the remote control of FIG. 2 for alternating current is significantly increased. Indeed, with increasing voltage u I at
где ;Where ;
β1-2=β1=β2 - коэффициент усиления по току базы входных транзисторов ДУ каскада 1;β 1-2 = β 1 = β 2 - current gain of the base of the input transistors of the
rэ1, rэ2 - сопротивления эмиттерных переходов по току базы входных транзисторов каскада 1;r e1 , r e2 - resistance of the emitter transitions in the current base of the input transistors of
φт=25 мВ - температурный потенциал;φ t = 25 mV - temperature potential;
IΣ=4I0 - суммарный ток общей эмиттерной цепи транзисторов каскада 1.I Σ = 4I 0 is the total current of the total emitter circuit of the transistors of
Поэтому переменная составляющая суммарного тока базы параллельно включенных входных транзисторов каскада 1:Therefore, the variable component of the total base current of the parallel connected input transistors of cascade 1:
С другой стороны, приращения коллекторных токов транзисторов 7 и 8On the other hand, the collector current increments of
где rэ8=rэ7 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 8 и 7.where r e8 = r e7 are the resistance of the emitter junctions of
ПричемMoreover
где I9 - выходной суммарный ток токового зеркала 10.where I 9 is the output total current of the
Если учесть, что за счет токового зеркала 10 (Ki12.8=2) обеспечивается равенствоIf we consider that due to the current mirror 10 (K i12.8 = 2), equality
то уравнение (6) можно представить в следующем видеthen equation (6) can be represented as follows
где β13 - коэффициент усиления по току базы транзистора 13.where β 13 is the current gain of the base of the
Поэтому коллекторные токи транзисторов 7 и 8, а также суммарные входные токи ДУ iвх.1 и iвх.2 относительно узлов 2 и 3:Therefore, the collector currents of
где iл, iп - переменные входные токи ДУ без цепей компенсации. После преобразований (10) и (11) находим, что входной ток узла 2where i l , i p - variable input currents of the remote control without compensation circuits. After transformations (10) and (11) we find that the input current of
Поэтому входная проводимость предлагаемого ДУ на переменном токеTherefore, the input conductivity of the proposed AC remote control
Так как β1-2≈β13, то из (13) следует, что в предлагаемой схеме увх существенно уменьшается (входное сопротивление растет).Since β 1-2 ≈ β 13 , it follows from (13) that in the proposed circuit, yx significantly decreases (input resistance increases).
В ДУ-прототипе фиг.1 входная проводимость не лучше, чемIn the remote control prototype of FIG. 1, the input conductivity is not better than
Следовательно, в заявляемом ДУ входное сопротивление увеличивается в Ny-раз, гдеTherefore, in the claimed remote control input impedance increases in N y times, where
Эффективность предлагаемого технического решения существенно зависит от точности разделения статического тока общей эмиттерной цепи каскада 1 (IΣ=4I0) между выходами 4 и 11, 5 и 12. Если эмиттерный ток транзистора 13 окажется меньше, чем суммарный ток в узлах 4 и 5 ДУ фиг.2, то даже при β13=β1-2 в схеме фиг.2 будет наблюдаться «недокомпенсация» статического входного тока каскада 1, так как Iк8<Iл. При этом следует заметить, что строго заданный коэффициент деления тока Kd=Iэ13/IΣ=0,5 будет реализован только в том случае, если статические потенциалы выходов 4, 11(12), 5 одинаковы. Если это требование не выполняется, то вследствие эффекта Эрли Kd≠0,5, что несколько ухудшает выигрыш по входному сопротивлению и входному току. Для устранения этого эффекта в схеме фиг.3 вводится резистор 20, который выбирается таким образом, чтобы обеспечить равенствоThe effectiveness of the proposed technical solution substantially depends on the accuracy of the separation of the static current of the common emitter circuit of cascade 1 (I Σ = 4I 0 ) between
где U4, U5 - напряжения в узлах 4, 5;where U 4 , U 5 - voltage at
- напряжение питания; - supply voltage;
U14 - статическое напряжение на входе токового зеркала 10;U 14 - static voltage at the input of the
Uэб.13 - напряжение эмиттер-база транзистора 13;U eb.13 - voltage emitter-base of the
R20 - сопротивление резистора 20.R 20 is the resistance of the
Предельная температурная стабильность входного статического тока в схеме фиг.3 реализуется в том случае, когда во всем диапазоне рабочих температур выполняется условие U11=U4=U5. Однако в практических схемах токовых зеркал 10 их входное статическое напряжение U13, так же, как и напряжение Uэб.13, уменьшается под действием температуры, что приводит к нарушению баланса U11≠U4=U5 и, следовательно, к появлению дополнительного составляющего дрейфа входного тока ДУ и ухудшению эффекта компенсации Rвх. В этой связи в некоторых случаях авторы рекомендуют применять специальные токовые зеркала фиг.4 и фиг.5, в которых напряжение на входе U14 (фиг.3) изменяется за счет диодной цепи 24 таким образом, чтобы напряжение на эмиттере транзистора 13 и, следовательно, напряжение на выходах 11 и 12 ДУ фиг.2 (фиг.3) было температурно стабильным. Это позволяет получить предельные значения коэффициента Ny (15).The extreme temperature stability of the input static current in the circuit of Fig. 3 is realized in the case when the condition U 11 = U 4 = U 5 is satisfied in the entire range of operating temperatures. However, in practical schemes of
Полученные выше теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования известной и предлагаемой схем в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» (фиг.8). При этом заявляемый ДУ имеет более чем на два порядка лучшие значения входного сопротивления. Данный результат обеспечивается без ухудшения других параметров ДУ-крутизны и напряжения смещения нуля. Кроме этого, статические входные токи заявляемого ДУ значительно меньше, чем в схеме ДУ-прототипа (фиг.7).The theoretical conclusions obtained above are confirmed by the simulation results of the known and proposed circuits in the PSpice environment on the models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar (Fig. 8). Moreover, the claimed remote control has more than two orders of magnitude better input impedance values. This result is provided without deterioration of other parameters of the remote control slope and zero bias voltage. In addition, the static input currents of the claimed remote control are significantly less than in the scheme of the remote control prototype (Fig.7).
ЛитератураLiterature
1. Патент Японии JP 8222972.1. Japanese patent JP 8222972.
2. Патентная заявка США №2004/0174216.2. US Patent Application No. 2004/0174216.
3. Патент США №6.963.244.3. US patent No. 6.963.244.
4. Патент США №6.420.931.4. US patent No. 6.420.931.
5. Патент США №6.222.416.5. US Patent No. 6,222,416.
6. Патент США №5.880.639.6. US Patent No. 5,880.639.
7. Патент США №5.610.557.7. US Patent No. 5,610.557.
8. Патент США №5.153.529.8. US Patent No. 5.153.529.
9. Патент Японии JP №7050528.9. Japanese Patent JP No. 7050528.
10. Патент США №6.191.619.10. US patent No. 6.191.619.
11. Патент США №6.163.290.11. US patent No. 6.163.290.
12. Патент США №5.814.953.12. US Patent No. 5,814.953.
13. Патент США №5.714.906.13. US patent No. 5.714.906.
14. Патент США №5.523.718.14. US patent No. 5.523.718.
15. Патент США №5.515.005.15. US patent No. 5.515.005.
16. Патент США №5.293.136.16. US Patent No. 5.293.136.
17. Патент США №4.636.743.17. US Patent No. 4,636.743.
18. Патент США №4.783.637.18. US patent No. 4.783.637.
19. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. - М., Радио и связь, 1989. - С.101-103. - Рис.6.11 (стр.103).19. Matavkin V.V. High-speed operational amplifiers. - M., Radio and Communications, 1989. - S.101-103. - Fig. 6.11 (p. 103).
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009110052/09A RU2393628C1 (en) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Differential amplifier with increased input resistance |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009110052/09A RU2393628C1 (en) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Differential amplifier with increased input resistance |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2393628C1 true RU2393628C1 (en) | 2010-06-27 |
Family
ID=42683842
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009110052/09A RU2393628C1 (en) | 2009-03-19 | 2009-03-19 | Differential amplifier with increased input resistance |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2393628C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467469C1 (en) * | 2011-11-21 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2519558C2 (en) * | 2012-08-09 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
-
2009
- 2009-03-19 RU RU2009110052/09A patent/RU2393628C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2467469C1 (en) * | 2011-11-21 | 2012-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
RU2519558C2 (en) * | 2012-08-09 | 2014-06-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ "ЮРГУЭС") | Selective amplifier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6462612B1 (en) | Chopper stabilized bandgap reference circuit to cancel offset variation | |
RU2432669C1 (en) | Broadband amplifier | |
RU2393628C1 (en) | Differential amplifier with increased input resistance | |
Kumngern | DDTA and DDCCTA: New active elements for analog signal processing | |
US8854135B2 (en) | Operational amplifier with elimination of offset voltage | |
RU2333593C1 (en) | Differential amplifier with wider active operation range | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2346388C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2396699C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input differential resistance | |
RU2396698C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
JP6389144B2 (en) | Current detection circuit | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
Prokopenko et al. | Methods of increasing voltage gain of the low-voltage classical stages | |
RU2421893C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2293433C1 (en) | Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2390914C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2783042C1 (en) | Class "ab" non-inverting current amplifier | |
RU2394360C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input resistance | |
Silva-Martinez et al. | A feedforward compensation scheme for high gain wideband amplifiers | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130320 |