RU2402151C1

RU2402151C1 - Cascode differential amplifier

Info

Publication number: RU2402151C1
Application number: RU2009119155/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Александр Игоревич Серебряков (RU); Александр Игоревич Серебряков; Петр Сергеевич Будяков (RU); Петр Сергеевич Будяков
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-10-20

Abstract

FIELD: radio engineering.

SUBSTANCE: cascode differential amplifier comprises input differential cascade (DC) (1), the first (2) output transistor (T), emitter of which is connected to the first (3) current output of input DC (1), collector is connected to input of current mirror (4), and base is connected to auxiliary source of voltage (5), the second (6) output T, emitter of which is connected to the second (7) current output of input DC (1), and collector is connected to output of current mirror (4) and input (8) of buffer amplifier (9), besides conductivity of input T (10) of buffer amplifier (9) matches conductivity T (2) and T (6). Base T (6) is connected to emitter T (2).

EFFECT: reduced shift voltage.

2 cl, 12 dwg

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, компараторах и прецизионных операционных усилителях (ОУ) с малыми значениями э.д.с. смещения нуля).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, comparators and precision operational amplifiers (op amps) with low values of the emf of zero bias).

В современной радиоэлектронной аппаратуре находят применение дифференциальные усилители (ДУ) с существенными различными параметрами. Особое место занимают ДУ с каскодной архитектурой (КДУ), характеризующиеся наибольшей широкополосностью. Предлагаемое изобретение относится к данному типу ДУ.In modern electronic equipment, differential amplifiers (DU) with significant different parameters are used. A special place is occupied by cascode architecture remote control (CDU), which are characterized by the greatest broadband. The present invention relates to this type of remote control.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является классическая схема КДУ, фиг.1, представленная в виде промежуточного каскада КДУ по патентной заявке США №2008/0136522, которая присутствует в ряде других патентов [1-10].Closest to the technical nature of the claimed device is the classical scheme of the CDA, figure 1, presented in the form of an intermediate cascade of CDA for US patent application No. 2008/0136522, which is present in several other patents [1-10].

Существенный недостаток известного КДУ, фиг.1, состоит в том, что он имеет повышенное значение систематической составляющей напряжения смещения нуля U_см.A significant disadvantage of the known KDU, figure 1, is that it has an increased value of the systematic component of the zero bias voltage U _see

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении U_см.The main objective of the invention is to reduce U _see

Поставленная цель достигается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе, фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1, первый 2 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а база соединена со вспомогательным источником напряжения 5, второй 6 выходной транзистор, эмиттер которого связан со вторым 7 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллектор подключен к выходу токового зеркала 4 и входу 8 буферного усилителя 9, причем проводимость входного транзистора 10 буферного усилителя 9 совпадает с проводимостью первого 2 и второго 6 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - база второго 6 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 2 выходного транзистора.This goal is achieved by the fact that in the cascode differential amplifier, figure 1, containing the input differential stage 1, the first 2 output transistor, the emitter of which is connected to the first 3 current output of the input differential stage 1, the collector is connected to the input of the current mirror 4, and the base is connected with an auxiliary voltage source 5, the second 6 output transistor, the emitter of which is connected to the second 7 current output of the input differential stage 1, and the collector is connected to the output of the current mirror 4 and input 8 buffer amplifier 9, and the conductivity of the input transistor 10 of the buffer amplifier 9 coincides with the conductivity of the first 2 and second 6 output transistors, new elements and connections are provided - the base of the second 6 output transistor is connected to the emitter of the first 2 output transistor.

Схема усилителя-прототипа показана на фиг.1. На фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения, реализованная на р-n-р транзисторах 2, 6, 10.The amplifier circuit of the prototype is shown in figure 1. Figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims, implemented on pnp transistors 2, 6, 10.

На фиг.3 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения, реализованная на n-р-n транзисторах 2, 6, 10.Figure 3 presents a diagram of the inventive device in accordance with claim 1 of the claims, implemented on n-p-n transistors 2, 6, 10.

На фиг.4, соответствующей п.1 формулы изобретения, в качестве транзисторов 2, 6 и 10 используются n-p-n транзисторы, а во входном дифференциальном каскаде 1 - р-n-р транзисторы 16 и 17.In figure 4, corresponding to claim 1 of the claims, n-p-n transistors are used as transistors 2, 6 and 10, and p-n-p transistors 16 and 17 are used in the input differential stage 1.

На фиг.5 представлена схема усилителя-прототипа в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».Figure 5 presents a diagram of the prototype amplifier in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.6 представлена схема заявляемого устройства в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда в схеме используется идеальное токовое зеркало.Figure 6 presents a diagram of the inventive device in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors FSUE NPP Pulsar for the case when the circuit uses an ideal current mirror.

На фиг.7 приведены графики температурной зависимости напряжения смещения нуля схем на фиг.5 и фиг.6.Figure 7 shows graphs of the temperature dependence of the zero bias voltage of the circuits in figure 5 and figure 6.

На фиг.8 представлена схема прототипа - фиг.1 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар» для случая, когда в ней используется реальное токовое зеркало Вильсона.On Fig presents a diagram of the prototype - figure 1 in the environment of computer simulation PSpice on models of integrated transistors FSUE NPP "Pulsar" for the case when it uses a real Wilson current mirror.

На фиг.9 представлена схема заявляемого устройства для случая, когда в ней используется реальное токовое зеркало Вильсона.Figure 9 presents a diagram of the inventive device for the case when it uses a real Wilson current mirror.

На фиг.10 приведены графики температурной зависимости напряжения смещения нуля схем на фиг.8 и фиг.9.Figure 10 shows graphs of the temperature dependence of the zero bias voltage of the circuits in Fig.8 and Fig.9.

На фиг.11 показана схема на фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП Hi ill «Пульсар», а на фиг.12 - схема усилителя-прототипа, соответствующая схеме на фиг.1.In Fig.11 shows the diagram of Fig.4 in the computer simulation environment PSpice on integrated transistor models FSUE Hi ill "Pulsar", and Fig.12 is a diagram of the prototype amplifier corresponding to the circuit in Fig.1.

Каскодный дифференциальный усилитель, фиг.2, содержит входной дифференциальный каскад 1, первый 2 выходной транзистор, эмиттер которого связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, коллектор подключен ко входу токового зеркала 4, а база соединена со вспомогательным источником напряжения 5, второй 6 выходной транзистор, эмиттер которого связан со вторым 7 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а коллектор подключен к выходу токового зеркала 4 и входу 8 буферного усилителя 9, причем проводимость входного транзистора 10 буферного усилителя 9 совпадает с проводимостью первого 2 и второго 6 выходных транзисторов. База второго 6 выходного транзистора соединена с эмиттером первого 2 выходного транзистора.The cascode differential amplifier, figure 2, contains the input differential stage 1, the first 2 output transistor, the emitter of which is connected to the first 3 current output of the input differential stage 1, the collector is connected to the input of the current mirror 4, and the base is connected to an auxiliary voltage source 5, the second 6 output transistor, the emitter of which is connected to the second 7 current output of the input differential stage 1, and the collector is connected to the output of the current mirror 4 and input 8 of the buffer amplifier 9, and the input o transistor 10 of the buffer amplifier 9 is the same as the conductivity of the first 2 and second 6 output transistors. The base of the second 6 output transistor is connected to the emitter of the first 2 output transistor.

В схеме на фиг.3, а также на фиг.4 в соответствии с п.2 формулы изобретения эмиттер первого 2 выходного транзистора связан с первым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через вспомогательный двухполюсник (p-n переход) 15.In the circuit of Fig. 3, as well as in Fig. 4, in accordance with claim 2, the emitter of the first 2 output transistor is connected to the first 3 current output of the input differential stage 1 through an auxiliary two-terminal device (p-n junction) 15.

Рассмотрим факторы, определяющие систематическую составляющую напряжения смещения нуля U_см в схеме на фиг.2.Consider the factors that determine the systematic component of the bias voltage of zero U _cm in the circuit in figure 2.

На основе первого закона Кирхгофа можно записать следующие уравнения для коллекторных (I_к) и эмиттерных (I_э) токов транзисторов 2 и 6, а также входного (I_вх.4) и выходного (I_вых.4) токов токового зеркала 4:Based on the first Kirchhoff law, one can write the following equations for collector (I _to ) and emitter (I _e ) currents of transistors 2 and 6, as well as input (I input ₄ ) and output (I output ₄ ) currents of current mirror 4:

где I_б.р - ток базы n-p-n транзисторов 2, 6, 10.where I _b.p is the base current of npn transistors 2, 6, 10.

С учетом уравнений (1)-(6) находим, что в узле «А» происходит взаимная компенсация базовых токов однотипных транзисторов 6, 2, 10:Taking into account equations (1) - (6), we find that in node “A” there is a mutual compensation of the base currents of the same type of transistors 6, 2, 10:

Как следствие, это не требует смещения нуля ДУ на величину напряжения U_см, подача которого на входы Bx.⁽⁺⁾1, Bx.^(-)2 компенсирует разностный ток I_р в узле «А». Таким образом, в заявляемом устройстве уменьшается систематическая составляющая U_см, обусловленная конечной величиной β транзисторов и его радиационной или температурной зависимостью. Как следствие, это уменьшает U_см, так как разностный ток I_р в узле «А» создает U_см, зависящее от крутизны преобразования входного напряжения u_вх ДУ, фиг.2, в выходной ток узла «А»As a result, this does not require a zero offset of the remote control by the voltage U _cm , the supply of which to the inputs Bx. ⁽⁺⁾ 1, Bx. ^(-) 2 compensates for the differential current I _p in the node "A". Thus, in the inventive device, the systematic component U _cm decreases due to the final value of β transistors and its radiation or temperature dependence. As a result, this reduces U _cm , since the differential current I _p in the node “A” creates U _cm , which depends on the steepness of the conversion of the input voltage u _{in the} remote control, figure 2, into the output current of the node “A”

где r_э13=r_э14 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 13 и 14 дифференциального каскада 1.where r _e13 = r _e14 - the resistance of the emitter junctions of the input transistors 13 and 14 of the differential stage 1.

Поэтому для схемы на фиг.2Therefore, for the circuit of FIG. 2

где φ_Т=26 мВ - температурный потенциал.where φ _Т = 26 mV is the temperature potential.

В ДУ-прототипе I_p≠0 (I_р=I_б.n), поэтому здесь систематическая составляющая U_см получается на порядок больше (U_см=-652 мкВ), чем в заявляемой схеме (U_см=25 мкВ).In the remote control prototype I _p ≠ 0 (I _p = I _b.n ), therefore, here the systematic component U _cm turns out to be an order of magnitude larger (U _cm = -652 μV) than in the claimed scheme (U _cm = 25 μV).

Компьютерное моделирование схем на фиг.5 и фиг.6, фиг.8 и фиг.9, фиг.11 и фиг.12 подтверждает данные теоретические выводы.Computer simulation of the circuits in Fig.5 and Fig.6, Fig.8 and Fig.9, Fig.11 and Fig.12 confirms these theoretical conclusions.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.Thus, the claimed device has significant advantages compared to the prototype.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №4.801.893, fig.6a.1. US patent No. 4.801.893, fig.6a.

2. Патентная заявка США 2007/0115056, fig.1.2. US Patent Application 2007/0115056, fig. 1.

3. А.с. СССР №922698.3. A.S. USSR No. 922698.

4. Патент США №4.232.273.4. US Patent No. 4,232.273.

5. Патент Японии №53-35352.5. Japanese Patent No. 53-35352.

6. Патент Японии №1264806.6. Japanese Patent No. 1264806.

7. Патентная заявка США 2007/0188191.7. US Patent Application 2007/0188191.

8. Патентная заявка США 2007/0188191.8. US Patent Application 2007/0188191.

9. Патент Франции №2227574.9. French patent No. 2227574.

10. Патент США №3.482.177 fig.5.10. US Patent No. 3,482,177 fig. 5.

Claims

1. A cascode differential amplifier containing an input differential stage (1), a first (2) output transistor, the emitter of which is connected to the first (3) current output of the input differential stage (1), the collector is connected to the input of the current mirror (4), and the base connected to an auxiliary voltage source (5), the second (6) output transistor, the emitter of which is connected to the second (7) current output of the input differential stage (1), and the collector is connected to the output of the current mirror (4) and the input (8) of the buffer amplifier (9) The input transistor (10) of the buffer amplifier (9) coincides with the conductivity of the first (2) and second (6) output transistors, characterized in that the base of the second (6) output transistor is connected to the emitter of the first (2) output transistor.

2. The device according to claim 1, characterized in that the emitter of the first (2) output transistor is connected to the first (3) current output of the input differential stage (1) through an auxiliary two-terminal device (15).