RU2419191C1

RU2419191C1 - Differential amplifier

Info

Publication number: RU2419191C1
Application number: RU2009145896/09A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко (RU); Николай Николаевич Прокопенко; Петр Сергеевич Будяков (RU); Петр Сергеевич Будяков; Александр Игоревич Серебряков (RU); Александр Игоревич Серебряков
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2011-05-20

Abstract

FIELD: radio engineering. ^ SUBSTANCE: invention can be used as amplification device of analogue signals, in structure of analogue microcircuit chips of various functional purpose (e.g. SiGe-operational amplifiers, comparing units). Output voltage of differential amplifier (DA) is received at non-symmetric activation of load, which depends both on voltage on the basis of the first (1) (uinp1), and on the basis of the second (2) (uinp2) input transistors (T), i.e. implementation of function uoutput=Ka(uinp1-uinp2), where Ka>1 - amplification coefficient as to voltage. DA includes the first (1) and the second (2) input T, collectors of which are connected to the first (3) bus of power supply (PS), the first (4) and the second (5) current-stabilising bipoles (CB) connected to the second (6) bus of PS. To the circuit there introduced is the first (7) and the second (8) additional resistors (R), as well as additional current mirror (CM) (9) the input of which is connected to the first CB (4), output is connected to the second CB (5), and common emitter output is connected to emitter of additional output T (10) and additional CB (11); at that, base of T (10) is connected to output of CM (9), the first R (7) is connected between input of CM (9) and emitter of T (1), and the second R (8) is connected between emitter of T (2) and output of CM (9). ^ EFFECT: improvement of differential amplifier design. ^ 8 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, операционных усилителях (ОУ), стабилизаторах напряжения, компараторах 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 in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, operational amplifiers (op amps), voltage stabilizers, comparators, etc.).

В современной микроэлектронике широко используются дифференциальные усилители (ДУ), реализованные на базе классических эмиттерных повторителей [1-12] фиг.1. Они могут быть отнесены к подклассу так называемых псевдодифференциальных усилителей, так как при несимметричном включении нагрузки их выходное напряжение для каждого из выходов (Вых.1, Вых.2) не зависит от уровня сигнала на противофазном входе. То есть ДУ данного подкласса целесообразно применять только при использовании дифференциального выхода, то есть когда выходное напряжение снимается между узлами Вых.1 и Вых.2.In modern microelectronics, differential amplifiers (DU) are widely used, implemented on the basis of classical emitter repeaters [1-12] of Fig. 1. They can be assigned to a subclass of the so-called pseudo-differential amplifiers, since when the load is turned on asymmetrically, their output voltage for each of the outputs (Output 1, Output 2) does not depend on the signal level at the antiphase input. That is, it is advisable to apply the remote control of this subclass only when using a differential output, that is, when the output voltage is removed between the nodes of Output 1 and Output 2.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является классический ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №5138318 fig.1. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания. Нагрузка ДУ включается между эмиттерами входных транзисторов.Closest to the technical nature of the claimed device is a classic remote control (figure 1), discussed in US patent No. 5138318 fig.1. It contains the first 1 and second 2 input transistors, the collectors of which are connected to the first 3 bus of the power source, the first 4 and second 5 current-stabilizing bipolar connected to the second 6 bus of the power source. The remote control load is turned on between the emitters of the input transistors.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не реализует свою основную функцию - усиление разности входных сигналов (u_вх.1, u_вx.2) при несимметричном включении нагрузки, т.е. использовании только одного выхода. Кроме этого, коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа (K_у) всегда меньше единицы.A significant drawback of the known remote control is that it does not realize its main function - amplification of the difference of the input signals (u _{input 1} , u _{input 2} ) when the load is turned on asymmetrically, i.e. using only one output. In addition, the voltage gain of the remote control prototype (K _y ) is always less than unity.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в получении выходного напряжения ДУ при несимметричном включении нагрузки, зависящего как от напряжения на базе первого 1 (u_вх.1), так и на базе второго 2 (u_вх.2) входных транзисторов, т.е. в реализации функции дифференциального усилителя u_вых=K_у(u_вх.1-u_вх.2), где K_у>1 - коэффициент усиления по напряжению.The main objective of the invention is the output control voltage is turned on receipt at asymmetric load which depends both on the voltage at the base of a first one (u _{input 1)} and on the basis of the second 2 (u _INP2) of input transistors, i.e. in the implementation of the function of the differential amplifier u _o = K _y (u I ₁ -u I ₂ ), where K _y > 1 is the voltage gain.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 7 и второй 8 дополнительные резисторы, а также дополнительное токовое зеркало 9, вход которого соединен с первым 4 токостабилизирующим двухполюсником, выход - связан со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а общий эмиттерный выход - соединен с эмиттером дополнительного выходного транзистора 10 и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 11, причем база дополнительного выходного транзистора 10 соединена с выходом дополнительного токового зеркала 9, первый 7 дополнительный резистор включен между входом дополнительного токового зеркала 9 и эмиттером первого 1 входного транзистора, а второй 8 дополнительный резистор включен между эмиттером второго 2 входного транзистора и выходом дополнительного токового зеркала 9.The problem is achieved in that in the differential amplifier of Fig. 1, containing the first 1 and second 2 input transistors, the collectors of which are connected to the first 3 bus of the power source, the first 4 and second 5 current-stabilizing two-pole connected to the second 6 bus of the power source, new elements and connections - the first 7 and second 8 additional resistors are introduced into the circuit, as well as an additional current mirror 9, the input of which is connected to the first 4 current-stabilizing bipolar, the output is connected to the second 5 current-stabilizing a common two-terminal, and the common emitter output is connected to the emitter of an additional output transistor 10 and an additional current-stabilizing two-terminal 11, and the base of the additional output transistor 10 is connected to the output of the additional current mirror 9, the first 7 additional resistor is connected between the input of the additional current mirror 9 and the emitter of the first 1 input transistor, and the second 8 additional resistor is connected between the emitter of the second 2 input transistor and the output of the additional current mirror 9.

На фиг.1 приведена схему ДУ-прототипа.Figure 1 shows a diagram of the remote control prototype.

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to the claims is shown in figure 2.

На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов IHP, а на фиг.4 - зависимость коэффициента усиления по напряжению от частоты. Последний график показывает, что, несмотря на использование несимметричной нагрузки в схеме фиг.3, коэффициент усиления по напряжению предлагаемого улучшается на 12 дБ в сравнении с K_у известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологического процесса SGB25VD.Figure 3 shows a diagram of the claimed remote control in the Cadence computer simulation environment on IHP integrated transistor models, and figure 4 shows the voltage gain versus frequency. The last graph shows that, despite the use of an asymmetric load in the circuit of figure 3, the voltage gain of the proposed improves by 12 dB compared with K of _the known device. This is an important advantage of the proposed remote control when it is implemented as part of the SGB25VD process.

На фиг.5 приведена модификация ДУ фиг.2 в среде Cadence на моделях транзисторов HJW, в которой выход ДУ нагружен на буферный усилитель на транзисторе Q₆ по схеме с общим эмиттером. Эта схема показывает возможные направления практического использования заявляемого устройства.Figure 5 shows the modification of the remote control of figure 2 in the Cadence environment on models of HJW transistors, in which the output of the remote control is loaded on a buffer amplifier on transistor Q ₆ according to the scheme with a common emitter. This diagram shows the possible directions of practical use of the claimed device.

На фиг.6 показана амплитудно-частотная характеристика ДУ фиг.5.In Fig.6 shows the amplitude-frequency characteristic of the remote control of Fig.5.

Пример практического использования заявляемого ДУ в структуре SiGe операционного усилителя представлен на фиг.7, а на фиг.8 приведена АЧХ ОУ фиг.7 на базе заявляемого ДУ в сравнении с АЧХ ОУ, имеющего выходной буферный усилитель на основе дифференциального усилителя-прототипа.An example of the practical use of the claimed remote control in the structure of the SiGe operational amplifier is shown in Fig. 7, and Fig. 8 shows the frequency response of the op-amp of Fig. 7 based on the claimed remote control in comparison with the frequency response of the op-amp having an output buffer amplifier based on a differential prototype amplifier.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, коллекторы которых соединены с первой 3 шиной источника питания, первый 4 и второй 5 токостабилизирующие двухполюсники, связанные со второй 6 шиной источника питания. В схему введены первый 7 и второй 8 дополнительные резисторы, а также дополнительное токовое зеркало 9, вход которого соединен с первым 4 токостабилизирующим двухполюсником, выход - связан со вторым 5 токостабилизирующим двухполюсником, а общий эмиттерный выход - соединен с эмиттером дополнительного выходного транзистора 10 и дополнительным токостабилизирующим двухполюсником 11, причем база дополнительного выходного транзистора 10 соединена с выходом дополнительного токового зеркала 9, первый 7 дополнительный резистор включен между входом дополнительного токового зеркала 9 и эмиттером первого 1 входного транзистора, а второй 8 дополнительный резистор включен между эмиттером второго 2 входного транзистора и выходом дополнительного токового зеркала 9. В частном случае дополнительно токовое зеркало 9 реализовано на транзисторе 12 и р-n переходе 13. Рассмотрим работу ДУ фиг.2.The differential amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 input transistors, the collectors of which are connected to the first 3 bus power supply, the first 4 and second 5 current-stabilizing two-pole connected to the second 6 bus power source. The first 7 and second 8 additional resistors are introduced into the circuit, as well as an additional current mirror 9, the input of which is connected to the first 4 current-stabilizing two-terminal network, the output is connected to the second 5 current-stabilizing two-terminal network, and the common emitter output is connected to the emitter of the additional output transistor 10 and additional a current-stabilizing two-terminal 11, and the base of the additional output transistor 10 is connected to the output of the additional current mirror 9, the first 7 additional resistor is connected between the input additional current mirror 9 and the emitter of the first 1 input transistor, and the second 8 additional resistor is connected between the emitter of the second 2 input transistor and the output of the additional current mirror 9. In the particular case, an additional current mirror 9 is implemented on the transistor 12 and pn junction 13. Consider the work DU figure 2.

В статическом режиме эмиттерные токи входных транзисторов 1 и 2 устанавливаются двухполюсниками 4 и 5, а также за счет выбора сопротивлений дополнительных резисторов 7 и 8.In the static mode, the emitter currents of the input transistors 1 and 2 are set by bipolar 4 and 5, as well as by selecting the resistances of additional resistors 7 and 8.

Если на вход Вх.1 подается входное напряжение u_вх.1, то это вызывает увеличение тока i₇ через резистор 7If the input voltage u input 1 is supplied to input _Вх.1 , then this causes an increase in current i ₇ through resistor 7

где K_у - коэффициент усиления по напряжению ДУ.where K _y is the voltage gain of the remote control.

При этом приращение тока i₇ передается через токовое зеркало 9 в резистор 8 и вызывает увеличение напряжения на этом резисторе. Поэтому напряжение u₅ на токостабилизирующем двухполюснике 5 уменьшается. Как следствие, уменьшается напряжение на выходе ДУ u_вых. и напряжение на двухполюснике 4, так как в схеме фиг.2In this case, the current increment i ₇ is transmitted through the current mirror 9 to the resistor 8 and causes an increase in voltage on this resistor. Therefore, the voltage u ₅ on the current-stabilizing two-terminal 5 decreases. As a result, the voltage at the output of the remote control u _out decreases _. and voltage at the two-terminal 4, as in the circuit of figure 2

Таким образом, фаза выходного напряжения u_вых. на выходе ДУ фиг.2 противоположна фазе входного напряжения u_вх.1, а коэффициент усиленияThus, the phase of the output voltage u _o. the output of the remote control of _figure 2 is opposite to the phase of the input voltage u I ₁ , and the gain

где K_i12.9≈1 - коэффициент передачи по току токового зеркала 9.where K _i12.9 ≈1 is the current transfer coefficient of the current mirror 9.

Если R₈=R₇, а K_i12.9=-1, то при высокоомной нагрузке (R_H=∞) K_у достигает значений:If R ₈ = R ₇ , and K _i12.9 = -1, then at high resistance load (R _H = ∞) K _y reaches the values:

То есть схема фиг.2 обеспечивает усиление сигнала.That is, the circuit of FIG. 2 provides signal amplification.

Если R_H≠∞ тоIf R _H ≠ ∞ then

где

- эквивалентное сопротивление в выходнойWhere

- equivalent resistance in the output

цепи токового зеркала 9;current mirror circuit 9;

β₁₀ - коэффициент усиления по току базы транзистора 10.β ₁₀ - gain current base of the transistor 10.

В этом случае для получения K_у.max. необходимо выбрать R₇ исходя из уравнения:In this case, to obtain K _at.max. you must select R ₇ based on the equation:

Если входное напряжение u_вх.2 подается на второй вход ДУ (Вх.2), то это вызывает синфазное изменение напряжения на базе транзистора 10, выходного напряжения u_вых и напряжения u₄. Как следствие, ток через резистор 7 уменьшается, что вызывает уменьшение выходного тока токового зеркала 9 и тока через резистор 8. Поэтому в данном режиме выходное напряжение ДУ фиг.2 имеет такую же фазу, что и входное напряжение u_вх.2.If the input voltage u input ₂ is supplied to the second input of the remote control (input 2), then this causes a common-mode voltage change based on the transistor 10, the output voltage u _output and voltage u ₄ . As a result, the current through the resistor 7 decreases, which causes a decrease in the output current of the current mirror 9 and the current through the resistor 8. Therefore, in this mode, the output voltage of the remote control of FIG. 2 has the same phase as the input voltage u input ₂ .

Фиг.4 показывает, что при выбранных параметрах элементов заявляемый ДУ (в отличие от ДУ-прототипа) обеспечивает усиление сигнала с K_у≈12 дБ.Figure 4 shows that with the selected parameters of the elements of the claimed remote control (in contrast to the remote control prototype) provides signal amplification with K _at ≈12 dB.

Таким образом, в отличие от известного ДУ предлагаемая схема имеет существенные преимущества.Thus, in contrast to the well-known remote control, the proposed scheme has significant advantages.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент США №4573022.1. US patent No. 4573022.

2. Патент США №4716381 fig.3.2. U.S. Patent No. 4,716,381 fig. 3.

3. Патент США №6768379.3. US patent No. 6768379.

4. Патент США №5712810 fig.25.4. US patent No. 5712810 fig.25.

5. Патент США №6972624 fig.6A.5. US patent No. 6972624 fig.6A.

6. Патентная заявка США 2009/058522.6. US Patent Application 2009/058522.

7. Патент США №5138318 fig.1.7. US Patent No. 5,138,318 fig. 1.

8. Патент США №6980055.8. US Patent No. 6980055.

9. Патентная заявка США 2003/0112070.9. US Patent Application 2003/0112070.

10. Патентная заявка США 2009/0212865 fig.5.10. US Patent Application 2009/0212865 fig. 5.

11. Патентная заявка США 2002/0149397.11. US Patent Application 2002/0149397.

12. Патентная заявка США 2006/0186965 fig.5.12. US Patent Application 2006/0186965 fig. 5.

Claims

A differential amplifier containing the first (1) and second (2) input transistors, the collectors of which are connected to the first (3) bus of the power source, the first (4) and second (5) current-stabilizing two-terminal devices connected to the second (6) bus of the power source, characterized in that the first (7) and second (8) additional resistors are introduced into the circuit, as well as an additional current mirror (9), the input of which is connected to the first (4) current-stabilizing two-terminal device, the output is connected to the second (5) current-stabilizing two-terminal device, and common emitter output is connected with the emitter of the additional output transistor (10) and the additional current-stabilizing two-terminal device (11), the base of the additional output transistor (10) connected to the output of the additional current mirror (9), the first (7) additional resistor connected between the input of the additional current mirror (9) and the emitter of the first (1) input transistor, and the second (8) additional resistor is connected between the emitter of the second (2) input transistor and the output of the additional current mirror (9).