RU2416147C1 - Differential amplifier with increased amplification factor - Google Patents
Differential amplifier with increased amplification factor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2416147C1 RU2416147C1 RU2009139593/09A RU2009139593A RU2416147C1 RU 2416147 C1 RU2416147 C1 RU 2416147C1 RU 2009139593/09 A RU2009139593/09 A RU 2009139593/09A RU 2009139593 A RU2009139593 A RU 2009139593A RU 2416147 C1 RU2416147 C1 RU 2416147C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- input
- additional
- output
- bus
- 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах).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, SiGe-operational amplifiers (op amps), comparators).
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Однако SiGe технический процесс SGB25VD, внедряемый в настоящее время в ряде российских предприятий для производства РЭА нового поколения, не обеспечивает возможности построения схем с p-n-p транзисторами. Это не позволяет применять традиционные активные нагрузки в ОУ СВЧ диапазона. Как следствие, в качестве элементов коллекторной цепи входного каскада ОУ весьма часто разрешается использовать только пассивные элементы - резисторы [1-25]. В конечном итоге это требование ограничивает коэффициент усиления по напряжению (Kу) входного дифференциального каскада ОУ и всей схемы ОУ в целом.In modern analog microelectronics, differential amplifiers (DE) with active loads in the form of current mirrors on bipolar transistors, the type of conductivity of which is opposite to the type of conductivity of the input transistors of the remote control, are widely used. However, the SiGe technical process SGB25VD, which is currently being implemented in a number of Russian enterprises for the production of new generation CEA, does not provide the possibility of constructing circuits with pnp transistors. This does not allow the use of traditional active loads in the op amp microwave range. As a result, as the elements of the collector circuit of the input stage of the op amp, it is very often allowed to use only passive elements - resistors [1-25]. Ultimately, this requirement limits the voltage gain (K y ) of the op-amp input differential stage and the entire op-amp circuit as a whole.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4.418.290. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.The closest in technical essence to the claimed device is a remote control (figure 1), discussed in US patent No. 4.418.290. It contains the input
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации двухполюсников нагрузки 5 и 6 в виде низкоомных резисторов (500-1000 Ом) его коэффициент усиления получается небольшим.A significant drawback of the known remote control is that when the implementation of
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении в 8-20 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании низкоомных двухполюсников нагрузки (например, R5=R6=700 Ом).The main objective of the proposed invention is to increase by 8-20 times the voltage gain when using low-resistance bipolar load (for example, R 5 = R 6 = 700 Ohms).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 13 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, базы связаны с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен через второй 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник с первой 4 шиной источника питания и подключен ко входу дополнительного неинвертирующего усилителя 15, выход которого соединен с объединенными базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов.The problem is achieved in that in the differential amplifier of Fig. 1, containing an input
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2. На фиг.3, 4 показаны частные случаи реализации дополнительного неинвертирующего усилителя 15.A diagram of the inventive device corresponding to the claims is shown in figure 2. Figure 3, 4 shows special cases of the implementation of additional
На фиг.5 - 6 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.5) иFigure 5 - 6 shows a diagram of the remote control prototype (figure 5) and
схема заявляемого ДУ (фиг.6) в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.7 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что несмотря на применение низкоомных двухполюсников нагрузки 5 и 6 (R5=R6=600 Ом) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается более чем на порядок (на 29,0 дБ) в сравнении с Kу известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.the scheme of the claimed remote control (Fig.6) in the Cadence computer simulation environment on IHP integrated transistor models, and Fig.7 shows the voltage gain of the compared circuits (Fig.5, 6) without frequency correction elements. These graphs show that despite the use of low-resistance
На фиг.8 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) с элементами частотной коррекции (Скор=4 пФ).On Fig shows the dependence of the gain on the voltage of the compared circuits (figure 5, 6) with the elements of the frequency correction (With cor = 4 pF).
На фиг.9 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) со 100% отрицательной обратной связью без элементов частотной коррекции.Figure 9 shows the dependence of the voltage gain on the compared circuits (Figs. 5, 6) with 100% negative feedback without frequency correction elements.
На фиг.10 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.5, 6) со 100% отрицательной обратной связью с элементом частотной коррекции (Скор=4 пФ).Figure 10 shows the dependence of the voltage gain of the compared circuits (Figs. 5, 6) with 100% negative feedback from the frequency correction element (C cor = 4 pF).
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, связанными с первой 4 шиной источника питания через первый 5 и второй 6 двухполюсники нагрузки, первый 7 и второй 8 выходные транзисторы, базы которых объединены, коллекторы соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, а эмиттеры связаны со второй 9 шиной источника питания, буферный усилитель 10, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 11 и второй 12 дополнительные транзисторы, эмиттеры которых соединены с первым 13 дополнительным токостабилизирующим двухполюсником, базы связаны с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, коллектор второго 12 дополнительного транзистора соединен через второй 14 дополнительный токостабилизирующий двухполюсник с первой 4 шиной источника питания и подключен ко входу дополнительного неинвертирующего усилителя 15, выход которого соединен с объединенными базами первого 7 и второго 8 выходных транзисторов. В частном случае на фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 16, 17 и двухполюснике 18. Дополнительный неинвертирующий усилитель тока может выполняться на транзисторе 19 (фиг.3) или стабилитроне 20 (фиг.4).The differential amplifier with a high gain of FIG. 2 contains an input
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.Consider the operation of the proposed device of figure 2.
В статическом режиме коллекторные токи (Iкi) транзисторов 16, 17 устанавливаются двухполюсником 18:In static mode, the collector currents (I ki ) of the
где I0=I18/2.where I 0 = I 18/2 .
Через двухполюсники нагрузки 5 и 6 при введении общей отрицательной обратной связи протекают статические токи, равные 2I0.Static currents equal to 2I 0 flow through the two-
Определим коэффициент усиления по напряжению схемы ДУ фиг.2.Determine the voltage gain of the remote control circuit of Fig.2.
Если на вход Bx.(+)1 подается напряжение uвх, то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 16 и уменьшение коллекторного тока транзистора 17. Как следствие, напряжение на токовом выходе 3 увеличивается (u3>0). При этом за счет отрицательной обратной связи через дополнительный неинвертирующий усилитель 15 обеспечивает равенство u3≈u2, где u2 - приращение напряжения на первом 2 токовом выходе.If the input is Bx. (+) 1 voltage u in is applied, then this causes an increase in the collector current of transistor 16 and a decrease in the collector current of
Изменение u2 приводит к изменению тока i2 через эквивалентное сопротивление r2 в цепи первого 2 токового выхода входного дифференциального каскада 1:The change in u 2 leads to a change in current i 2 through the equivalent resistance r 2 in the circuit of the first 2 current output of the input differential stage 1:
где r2=R5||Rвыx.2||Rвыx.7,where r 2 = R 5 || R outx. 2 || R outx. 7 ,
R5 - сопротивление двухполюсника нагрузки 5;R 5 is the resistance of the
Rвых.2 - выходное сопротивление входного дифференциального каскада 1 по первому 2 токовому выходу;R oy.2 - output resistance of the input
Rвых.7 - выходное сопротивление транзистора 7.R o.7 - the output impedance of the
ПричемMoreover
где Uэрли - напряжение Эрли транзистора 7;where U Earley -
r16=rэ17=2φт/I18 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 16 и 17;r 16 = r e17 = 2φ t / I 18 - resistance of the emitter junctions of
µ12 - коэффициент внутренней обратной связи транзистора 16.µ 12 is the internal feedback coefficient of the transistor 16.
Приращение тока i2 за счет отрицательной обратной связи через дополнительный неинвертирующий усилитель 15 поступает в коллектор транзистора 7 и далее на его выход - в цепь второго 3 токового выхода входного дифференциального каскада 1. Следует обратить внимание на то, что в заявляемой схеме вследствие ее структурных особенностей обеспечивается равенство переменных напряженийThe increment of current i 2 due to negative feedback through an additional
Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация тока через r3 током через r2=r3.Therefore, in
Если в частном случае выбрать r2=r3, то эквивалентное сопротивление в узле 3 (R3.экв), влияющее на Kу, будет практически определяться сопротивление нагрузки ДУ, приведенным к узлу 3.If in a particular case we choose r 2 = r 3 , then the equivalent resistance in node 3 (R 3.eq ), affecting K у , will practically determine the load resistance of the remote control brought to
Поэтому коэффициент усиления по напряжению предлагаемой схемы фиг.2 слабо зависит от сопротивлений двухполюсников 5 и 6, которые могут быть достаточно низкоомными.Therefore, the voltage gain of the proposed circuit of Fig.2 weakly depends on the resistances of the two-
Таким образом, в схеме фиг.2 на один-два порядка уменьшается влияние сопротивлений двухполюсников нагрузки 5 и 6 на коэффициент усиления Kу по напряжению ДУ.Thus, in the circuit of FIG. 2, the influence of the resistance of the two-
В результате предлагаемое схемотехническое решение улучшает более чем на порядок Kу.max (на 29 дБ), причем это обеспечивается при использовании низкоомных резисторов в качестве двухполюсников 5 и 6 (R5=R6=600 Ом), а также при низковольтном напряжении питания (±2 В).As a result, the proposed circuitry solution improves by more than an order of K у.max (by 29 dB), and this is achieved by using low-resistance resistors as bipolar 5 and 6 (R 5 = R 6 = 600 Ohms), as well as with a low-voltage supply voltage (± 2 V).
Представленные на фиг.7, 8, 9, 10 графики подтверждают данные теоретические выводы.Presented in Figures 7, 8, 9, 10, the graphs confirm these theoretical conclusions.
Таким образом, предлагаемое устройство при его реализации в рамках техпроцесса SGB25VD имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления по напряжению Kу в сравнении с известным ДУ.Thus, the proposed device, when implemented within the framework of the SGB25VD process technology, has significant advantages in terms of voltage gain K у in comparison with the known remote control.
Источники информацииInformation sources
1. Патент Франции №2409640.1. French patent No. 2409640.
2. Патент США №5.886.577.2. US Patent No. 5,886.577.
3. Патент Англии GB 2008883.3. England patent GB 2008883.
4. Патентная заявка США US 2009/108882, fig.3.4. US Patent Application US 2009/108882, fig. 3.
5. Патент Японии JP 54079553.5. Japanese Patent JP 54079553.
6. Патент WO 9621271.6. Patent WO 9621271.
7. Патент США №4276485.7. US patent No. 4276485.
8. Патентная заявка US 2006/0181347, fig.2.8. Patent application US 2006/0181347, fig.2.
9. Патентная заявка WO 2009/042474A2, fig.5.9. Patent application WO 2009 / 042474A2, fig. 5.
10. Патент США №6.396.346.10. US patent No. 6.396.346.
11. Патент США №4.001.608, fig.1.11. US patent No. 4.001.608, fig. 1.
12. Budyakov A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.12. Budyakov A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Text] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Problems of modern analog microcircuitry: collection. materials of the VI International scientific and practical seminar. In 3 hours,
13. S.P.Voinigescu, et al. Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth, IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.13. S.P. Voinigescu, et al. Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth, IEEE CSICS, Techn. Digest, pp. 283-286, Nov. 2005, FIG. 2.
14. S.P.Voinigescu, et al. SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz, IEEE BCTM, p.1-8, Oct. 2006.14. S.P. Voinigescu, et al. SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-
15. Патент США №4.274.394, фиг.2.15. US patent No. 4.274.394, figure 2.
16. Патент США №3.619.797.16. US Patent No. 3,619,797.
17. Патент США №3.622.902.17. US patent No. 3.622.902.
18. Патент США №3.440.554.18. US patent No. 3.440.554.
19. А.с. СССР №299013.19. A.S. USSR №299013.
20. Патент Англии №1.175.329, Н3Т.20. Patent of England No. 1.175.329, Н3Т.
21. Патент США №3.304.512.21. US patent No. 3.304.512.
22. Патент США №4.371.93.22. US patent No. 4.371.93.
23. А.с. СССР №421105.23. A.S. USSR No. 421105.
24. А.с. СССР №764100.24. A.S. USSR No. 764100.
25. А.с. СССР №669471.25. A.S. USSR No. 669471.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009139593/09A RU2416147C1 (en) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Differential amplifier with increased amplification factor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009139593/09A RU2416147C1 (en) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Differential amplifier with increased amplification factor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2416147C1 true RU2416147C1 (en) | 2011-04-10 |
Family
ID=44052240
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009139593/09A RU2416147C1 (en) | 2009-10-26 | 2009-10-26 | Differential amplifier with increased amplification factor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2416147C1 (en) |
-
2009
- 2009-10-26 RU RU2009139593/09A patent/RU2416147C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2364020C1 (en) | Differential amplifier with negative in-phase signal feedback | |
RU2416146C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2413355C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
RU2416147C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2414808C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
CN107888184B (en) | Single-end-to-differential circuit and buffer circuit and sample hold circuit formed by same | |
RU2412530C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2280318C1 (en) | Operational amplifier | |
RU2455757C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2446555C2 (en) | Differential operational amplifier | |
RU2621289C1 (en) | Two-stage differential operational amplifier with higher gain | |
RU2449466C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2419193C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2402150C1 (en) | Current mirror with load circuit in form of cascade at transistor with common emitter | |
RU2374757C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2402154C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2400924C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2450425C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2408975C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2412529C1 (en) | Cascode differential amplifier |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131027 |