RU2419192C1 - Differential amplifier with increased amplification factor - Google Patents

Differential amplifier with increased amplification factor Download PDF

Info

Publication number
RU2419192C1
RU2419192C1 RU2009145898/09A RU2009145898A RU2419192C1 RU 2419192 C1 RU2419192 C1 RU 2419192C1 RU 2009145898/09 A RU2009145898/09 A RU 2009145898/09A RU 2009145898 A RU2009145898 A RU 2009145898A RU 2419192 C1 RU2419192 C1 RU 2419192C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
current
buffer amplifier
current mirror
Prior art date
Application number
RU2009145898/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко (RU)
Николай Николаевич Прокопенко
Алексей Владимирович Жидков (RU)
Алексей Владимирович Жидков
Александр Игоревич Серебряков (RU)
Александр Игоревич Серебряков
Original Assignee
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority to RU2009145898/09A priority Critical patent/RU2419192C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2419192C1 publication Critical patent/RU2419192C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

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). Differential amplifier includes input differential cascade (DC) (1) with the first (2) and the second (3) current outputs, the first (4) current mirror (CM) the input of which is connected to the first (2) current output of input DC (1), and output is connected to the second (3) current output of input DC (1), output buffer amplifier (5) the output of which is connected to low-resistance load (6). To the circuit there introduced is the second CM (7) and the third CM (8) and additional current-stabilising bipole (CB) (9) connected to input of output buffer amplifier (5), base input of the second CM (7) is connected to the second (3) current output of input DC (1) and the output of the third CM (8) the input of which is connected to output of the second CM (7); at that, common emitter output of the second CM (7) is connected to input of output buffer amplifier (5). ^ EFFECT: increasing amplification factor as to voltage by 8-10 times at using comparatively low-resistance load bipole. ^ 6 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, стабилизаторах напряжения 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 of various functional purposes (for example, SiGe-operational amplifiers (op amps), comparators, voltage stabilizers, etc.).

В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются двухкаскадные дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ (фиг.1) [1-14]. Данная архитектура ДУ относится к числу достаточно широкополосных и весьма часто используется в ВЧ и СВЧ аналоговых устройствах. Однако при низкоомных нагрузках (например, волновых сопротивлениях Rн=50 Ом) такие ДУ имеет невысокие коэффициенты усиления по напряжению (Kу).In modern analog microelectronics, two-stage differential amplifiers (DEs) 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 (Fig. 1), are widely used [1-14]. This remote control architecture is quite broadband and is often used in RF and microwave analog devices. However, with low-impedance loads (for example, wave impedances R n = 50 Ohms), such DEs have low voltage gains (K y ).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США фирмы Sony (Япония) №5.144.169, fig.3. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, выходной буферный усилитель 5, выход которого связан с низкоомной нагрузкой 6.The closest in technical essence to the claimed device is a remote control (figure 1), discussed in US patent firm Sony (Japan) No. 5.144.169, fig.3. It contains the input differential stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, the first 4 current mirror, the input of which is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, and the output is connected to the second 3 current output of the input differential stage 1, output buffer amplifier 5 whose output is associated with a low resistance load 6.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации нагрузки в виде низкоомного резистора (например, 50 Ом) его коэффициент усиления получается небольшим.A significant drawback of the known remote control is that when the load is realized in the form of a low-resistance resistor (for example, 50 Ω), its gain is small.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении на один-два порядка коэффициента усиления по напряжению ДУ при использовании сравнительно низкоомных двухполюсников нагрузки (например, Rн=50 Ом).The main objective of the proposed invention is to increase by one or two orders of magnitude the gain in voltage of the remote control when using relatively low-resistance bipolar load (for example, R n = 50 Ohms).

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, выходной буферный усилитель 5, выход которого связан с низкоомной нагрузкой 6, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены второе 7 и третье 8 токовые зеркала и дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9, связанный со входом выходного буферного усилителя 5, базовый вход второго 7 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом третьего 8 токового зеркала, вход которого связан с выходом второго 7 токового зеркала, причем общий эмиттерный выход второго 7 токового зеркала соединен со входом выходного буферного усилителя 5.This object is achieved in that in the differential amplifier of Fig. 1, comprising an input differential stage 1 with first 2 and second 3 current outputs, a first 4 current mirror, the input of which is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, and the output is connected to the second 3 to the current output of the input differential stage 1, the output buffer amplifier 5, the output of which is connected with a low-impedance load 6, new elements and connections are provided - the second 7 and third 8 current mirrors and an additional co-stabilizing two-terminal 9 connected to the input of the output buffer amplifier 5, the basic input of the second 7 current mirror is connected to the second 3 current output of the input differential stage 1 and the output of the third 8 current mirror, the input of which is connected to the output of the second 7 current mirror, the common emitter output of the second 7 of the current mirror is connected to the input of the output buffer amplifier 5.

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

Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, представлена на фиг.2, а на фиг.3 - его архитектура для случая, когда выходной буферный усилитель реализован на транзисторе с общим эмиттером.A diagram of the inventive device corresponding to the claims is presented in figure 2, and figure 3 - its architecture for the case when the output buffer amplifier is implemented on a transistor with a common emitter.

На фиг.4-5 показаны схема ДУ-прототипа (фиг.4) и схема заявляемого ДУ (фиг.5) в среде компьютерного моделирования Pspice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, 5) от частоты. Данные графики показывают, что несмотря на применение низкоомной нагрузки (Rн=50 Ом в схеме фиг.5) коэффициент усиления по напряжению улучшается на 40,0 Дб (в 100 раз) в сравнении с Kу известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ.Figure 4-5 shows a diagram of the remote control prototype (figure 4) and a diagram of the claimed remote control (figure 5) in the Pspice computer simulation environment on models of integrated transistors of the Federal State Unitary Enterprise NPP Pulsar, and figure 6 shows the dependence of the gain according to the voltage of the compared circuits (figure 4, 5) from the frequency. These graphs show that despite the application of a low-impedance load (R n = 50 Ohms in the circuit of FIG. 5), the voltage gain improves by 40.0 dB (100 times) compared to K of the known device. This is an important advantage of the proposed remote control.

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первое 4 токовое зеркало, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, выходной буферный усилитель 5, выход которого связан с низкоомной нагрузкой 6. В схему введены второе 7 и третье 8 токовые зеркала и дополнительный токостабилизирующий двухполюсник 9, связанный со входом выходного буферного усилителя 5, базовый вход второго 7 токового зеркала соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом третьего 8 токового зеркала, вход которого связан с выходом второго 7 токового зеркала, причем общий эмиттерный выход второго 7 токового зеркала соединен со входом выходного буферного усилителя 5.The differential amplifier with a high gain of Fig. 2 contains an input differential stage 1 with a first 2 and a second 3 current outputs, a first 4 current mirror, the input of which is connected to the first 2 current output of the input differential stage 1, and the output is connected to the second 3 current output of the input differential stage 1, the output buffer amplifier 5, the output of which is connected with a low-impedance load 6. The second 7 and third 8 current mirrors and an additional current-stabilizing two-terminal 9 connected to the input of the output buffer amplifier 5, the basic input of the second 7 current mirror is connected to the second 3 current output of the input differential stage 1 and the output of the third 8 current mirror, the input of which is connected to the output of the second 7 current mirror, and the common emitter output of the second 7 current mirror is connected to the input output buffer amplifier 5.

В частном случае (фиг.2) входной дифференциальный каскад 1 реализован на базе транзисторов 10, 11 и двухполюснике 12, токовое зеркало 4 - транзисторах 13 и 14, буферный усилитель - транзисторе 15 и двухполюснике 16, токовое зеркало 7 - диоде 17 и транзисторе 18.In the particular case (figure 2), the input differential stage 1 is implemented on the basis of transistors 10, 11 and a two-terminal 12, a current mirror 4 is a transistor 13 and 14, a buffer amplifier is a transistor 15 and a two-terminal 16, a current mirror 7 is a diode 17 and a transistor 18 .

На фиг.5 представлен ДУ фиг.2, в котором выходной буферный усилитель 5 реализован на транзисторе 19 и двухполюснике 20.Figure 5 presents the remote control of figure 2, in which the output buffer amplifier 5 is implemented on the transistor 19 and the two-terminal network 20.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.Consider the operation of the remote control of figure 2.

Статический режим транзисторов 10 и 11 ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 12. При введении общей отрицательной обратной связи в ДУ фиг.2 статический ток через его двухполюсник 9:The static mode of the transistors 10 and 11 of the remote control of FIG. 2 is set by a two-terminal 12. When introducing a general negative feedback into the remote control of FIG. 2, the static current through its two-terminal 9 is:

Figure 00000001
Figure 00000001

где R9 - сопротивление двухполюсника 9;where R 9 is the resistance of the two-terminal 9;

Uэб.15%≈0,7 В - напряжение эмиттер-база транзистора 15;U eb. 15% ≈0.7 V - voltage emitter-base of the transistor 15;

I0 - статический ток токовых зеркал 7 и 8.I 0 - static current of current mirrors 7 and 8.

Если на вход Bx.(+)1 подается положительное напряжение uвх.1, то это вызывает увеличение напряжения в узле 3 (u3), а также напряжения на входе буферного усилителя 5 (uвх.5) и, как следствие, напряжения на нагрузке 6 (u6=uн), причемIf the input is Bx. (+) 1 a positive voltage u input 1 is applied, then this causes an increase in the voltage at node 3 (u 3 ), as well as the voltage at the input of the buffer amplifier 5 (u input 5 ) and, as a result, the voltage at the load 6 (u 6 = u n ), and

Figure 00000002
Figure 00000002

Поэтому ток в нагрузке 6 увеличивается, что приводит к изменению входного тока i5 буферного усилителя 5:Therefore, the current in the load 6 increases, which leads to a change in the input current i 5 of the buffer amplifier 5:

Figure 00000003
Figure 00000003

где Ki5 - коэффициент усиления по току буферного усилителя 5.where K i5 is the current gain of the buffer amplifier 5.

Как следствие, суммарный переменный ток iΣ общей эмиттерной цепи второго 7 токового зеркалаAs a result, the total alternating current i Σ of the total emitter circuit of the second 7 current mirror

Figure 00000004
Figure 00000004

Если положить, что коэффициенты передачи второго 7 и третьего 8 токовых зеркал близки к единице, то разностный ток ip, «нагружающий» входной дифференциальный каскад 1, будет близок к нулю:If we assume that the transmission coefficients of the second 7 and third 8 current mirrors are close to unity, then the difference current i p , which “loads” the input differential stage 1, will be close to zero:

Figure 00000005
Figure 00000005

Или после преобразований:Or after conversions:

Figure 00000006
Figure 00000006

Таким образом, эквивалентное сопротивление нагрузки выходной подсхемы ДУ фиг.2:Thus, the equivalent load resistance of the output subcircuit of FIG. 2:

Figure 00000007
Figure 00000007

Учитывая, что Ki7≈1, Ki8≈1, находим, что в заявляемой схеме сопротивление нагрузки R6=Rн не влияет на коэффициент усиления по напряжению Kу Given that K i7 ≈1, K i8 ≈1, we find that in the claimed circuit, the load resistance R 6 = R n does not affect the voltage gain K y

Figure 00000008
Figure 00000008

где rэ10=rэ11 - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 10 и 11 входного дифференциального каскада 1.where r e10 = r e11 - resistance of the emitter junctions of transistors 10 and 11 of the input differential stage 1.

Это позволяет получить более высокие значения Kу при малых Rн=10÷50 Ом.This allows for higher values of K at small R y n = 10 ÷ 50 ohms.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.Thus, the claimed device has significant advantages compared with the prototype.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4.042.886.1. US patent No. 4.042.886.

2. Патент Японии JP 10032437.2. Japan patent JP 10032437.

3. Патент Японии JP 2005033558.3. Japan patent JP 2005033558.

4. Патент США №4.595.883, fig.4.4. US Patent No. 4,595.883, fig. 4.

5. Патентная заявка США №2005/0063270 А1, fig.2.5. US patent application No. 2005/0063270 A1, fig.2.

6. Патент США №5.166.638, fig.1.6. US patent No. 5.166.638, fig.1.

7. Патент США №5.537.081, fig.3.7. US patent No. 5.537.081, fig. 3.

8. Патент США №6.114.904.8. US patent No. 6.114.904.

9. Патент США №5.144.169 fig.3.9. US patent No. 5.144.169 fig.3.

10. Патент США №4.223.276.10. US patent No. 4.223.276.

11. Патент США №5.365.191, fig.9.11. US patent No. 5.365.191, fig. 9.

12. Патент США №5.144.259.12. US Patent No. 5.144.259.

13. Патент США №6.870.426, fig.5.13. US patent No. 6.870.426, fig.5.

14. Патент США№5.148.121, fig.1.14. U.S. Patent No. 5.148.121, fig. 1.

Claims (1)

Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первое (4) токовое зеркало, вход которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а выход подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), выходной буферный усилитель (5), выход которого связан с низкоомной нагрузкой (6), отличающийся тем, что в схему введены второе (7) и третье (8) токовые зеркала и дополнительный токостабилизирующий двухполюсник (9), связанный со входом выходного буферного усилителя (5), базовый вход второго (7) токового зеркала соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и выходом третьего (8) токового зеркала, вход которого связан с выходом второго (7) токового зеркала, причем общий эмиттерный выход второго (7) токового зеркала соединен со входом выходного буферного усилителя (5). A differential amplifier with an increased gain, comprising an input differential stage (1) with first (2) and second (3) current outputs, a first (4) current mirror, the input of which is connected to the first (2) current output of the input differential stage (1) and the output is connected to the second (3) current output of the input differential stage (1), the output buffer amplifier (5), the output of which is connected to a low-impedance load (6), characterized in that the second (7) and third (8) are introduced into the circuit ) current mirrors and additional current stabilization the two-terminal terminal (9) connected to the input of the output buffer amplifier (5), the basic input of the second (7) current mirror is connected to the second (3) current output of the input differential stage (1) and the output of the third (8) current mirror, the input of which is connected with the output of the second (7) current mirror, and the common emitter output of the second (7) current mirror is connected to the input of the output buffer amplifier (5).
RU2009145898/09A 2009-12-10 2009-12-10 Differential amplifier with increased amplification factor RU2419192C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009145898/09A RU2419192C1 (en) 2009-12-10 2009-12-10 Differential amplifier with increased amplification factor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009145898/09A RU2419192C1 (en) 2009-12-10 2009-12-10 Differential amplifier with increased amplification factor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2419192C1 true RU2419192C1 (en) 2011-05-20

Family

ID=44733819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009145898/09A RU2419192C1 (en) 2009-12-10 2009-12-10 Differential amplifier with increased amplification factor

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2419192C1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2390916C1 (en) Precision operational amplifier
RU2416146C1 (en) Differential amplifier with increased amplification factor
RU2419192C1 (en) Differential amplifier with increased amplification factor
RU2419196C1 (en) Broad-band differential amplifier
RU2346386C1 (en) Differential amplifier
RU2293433C1 (en) Differential amplifier with increased weakening of input cophased signal
RU2421878C1 (en) Cascode broadband amplifier
RU2444114C1 (en) Operational amplifier with low-resistance load
RU2411637C1 (en) Precision operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2383099C2 (en) Differential amplifier with low-resistance inputs
RU2446554C1 (en) Differential operational amplifier with paraphase output
RU2416149C1 (en) Differential operating amplifier with low zero offset voltage
RU2420861C1 (en) Differential amplifier with high amplification ratio by voltage
RU2394362C1 (en) Cascode differential amplifier
RU2390911C2 (en) Cascode differential amplifier
RU2432666C1 (en) Differential operational amplifier with low supply voltage
RU2416148C1 (en) Differential amplifier with increased amplification factor
RU2368067C1 (en) Differential amplifier with high input resistance
RU2419193C1 (en) Differential amplifier with paraphase output
RU2400925C1 (en) Differential operating amplifier
RU2390917C1 (en) Buffer amplifier
RU2423778C1 (en) High-frequency compensation cascode differential amplifier
RU2420863C1 (en) Differential operational amplifier with low voltage of zero shift
RU2390914C1 (en) Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift
RU2408975C1 (en) Cascode differential amplifier

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20121211