RU2421888C1 - Дифференциальный усилитель - Google Patents

Дифференциальный усилитель Download PDF

Info

Publication number
RU2421888C1
RU2421888C1 RU2010118881/09A RU2010118881A RU2421888C1 RU 2421888 C1 RU2421888 C1 RU 2421888C1 RU 2010118881/09 A RU2010118881/09 A RU 2010118881/09A RU 2010118881 A RU2010118881 A RU 2010118881A RU 2421888 C1 RU2421888 C1 RU 2421888C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
input
additional
current
bus
Prior art date
Application number
RU2010118881/09A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко (RU)
Николай Николаевич Прокопенко
Александр Игоревич Серебряков (RU)
Александр Игоревич Серебряков
Сергей Сергеевич Белич (RU)
Сергей Сергеевич Белич
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 RU2010118881/09A priority Critical patent/RU2421888C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2421888C1 publication Critical patent/RU2421888C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

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, ВЧ и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению дифференциального усилителя (ДУ) при низковольтном питании и работе с переменными сигналами ВЧ и СВЧ диапазонов. ДУ содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первую (4) шину источников питания (ИП), связанную с эмиттерной цепью входного ДК (1), первый (5) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (6) выходом устройства и первым (2) токовым выходом входного ДК (1), второй (7) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму (8) выходу устройства и второму (3) токовому выходу входного ДК (1), вторую (9) шину ИП. Второй вывод первого (5) резистора коллекторной нагрузки соединен со второй (9) шиной ИП через первый (10) дополнительный двухполюсник и через первый (11) корректирующий конденсатор подключен ко входу первого (12) дополнительного инвертирующего повторителя тока (ИПТ), второй вывод второго (7) резистора коллекторной нагрузки соединен со второй (9) шиной ИП через второй (13) дополнительный двухполюсник и через второй (14) корректирующий конденсатор подключен ко входу второго (15) дополнительного ИПТ, выход первого (12) дополнительного ИПТ подключен ко второму (3) токовому выходу входного ДК (1), выход второго (15) дополнительного ИПТ подключен к первому (2) токовому выходу входного ДК (1), причем общие эмиттерные выходы первого (12) и второго (15) дополнительных ИПТ связаны с первой (4) шиной ИП. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

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, ВЧ и СВЧ-усилителях переменного тока и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические усилители переменного тока на основе дифференциальных усилителей (ДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-17]. Данная архитектура является основой широкого класса IP-модулей систем связи и является базовой как для существующих, так и для принципиально новых нанотехнологий [10].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по заявке US 2009/0221259 фиг.13.
Существенный недостаток известного ДУ, архитектура которого присутствует также во многих других усилительных каскадах [1-17], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Еп), характерных для SiGe технологических процессов (Еn≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим (Кymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Еп не могут выбираться высокоомными.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДУ при низковольтном питании и работе с переменными сигналами ВЧ и СВЧ диапазонов.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую 4 шину источников питания, связанную с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, вторую 9 шину источников питания, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со второй 9 шиной источников питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и через первый 11 корректирующий конденсатор подключен ко входу первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со второй 9 шиной источников питания через второй 13 дополнительный двухполюсник и через второй 14 корректирующий конденсатор подключен ко входу второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока, выход первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, выход второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, причем общие эмиттерные выходы первого 12 и второго 15 дополнительных инвертирующих повторителей тока связаны с первой 4 шиной источников питания.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показан теоретический график зависимости относительного коэффициента усиления Ny ДУ фиг.2 от частоты.
На фиг.4 представлена схема ДУ-прототипа фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW.
Графики фиг.5 характеризуют частотную зависимость коэффициента
усиления по напряжению (Ку) ДУ фиг, 4 от численных значений емкости, корректирующих конденсаторов С0=C1.
На фиг.6 представлена схема заявляемого ДУ с отрицательной обратной связью по синфазным сигналам в соответствии с п.3 формулы изобретения.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первую 4 шину источников питания, связанную с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада 1, первый 5 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым 6 выходом устройства и первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, второй 7 резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму 8 выходу устройства и второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, вторую 9 шину источников питания. Второй вывод первого 5 резистора коллекторной нагрузки соединен со второй 9 шиной источников питания через первый 10 дополнительный двухполюсник и через первый 11 корректирующий конденсатор подключен ко входу первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока, второй вывод второго 7 резистора коллекторной нагрузки соединен со второй 9 шиной источников питания через второй 13 дополнительный двухполюсник и через второй 14 корректирующий конденсатор подключен ко входу второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока, выход первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, выход второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен к первому 2 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, причем общие эмиттерные выходы первого 12 и второго 15 дополнительных инвертирующих повторителей тока связаны с первой 4 шиной источников питания.
Кроме этого на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, вход первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока соединен со второй 9 шиной источников питания через первый вспомогательный резистор 16, а вход второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока соединен со второй 9 шиной источников питания через второй вспомогательный резистор 17. В частном случае на фиг.2 входной дифференциальный каскад реализован на входных транзисторах 18, 19 и двухполюснике 20.
На фиг.6, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введены первый 21 и второй 22 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с соответствующими первым 2 и вторым 3 токовыми выходами входного дифференциального каскада 1, эмиттеры первого 21 и второго 22 вспомогательных транзисторов связаны друг с другом через последовательно соединенные первый 23 и второй 24 согласующие резисторы, общий узел которых связан со входом первого 12 дополнительного инвертирующего повторителя тока через третий 25 согласующий резистор и четвертый 26 согласующий резистор соединен со входом второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока.
Статический режим ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 20, также резисторами 16 и 17, которые задают начальный статический режим первого 12 и второго 15 дополнительных инвертирующих повторителей тока.
Рассмотрим работу ДУ фиг.2 на переменном токе.
Предельный коэффициент усиления по напряжению входного дифференциального каскада ДУ фиг.2 при емкости конденсатора 11 (С11), равной нулю, и R5>>R10, определяется сопротивлением первого 5 резистора коллекторной нагрузки:
Figure 00000001
где S1-2=(rэ18+rэ19)-1 - крутизна усиления входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания по его выходу, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (rэ18, rэ19) транзисторов 18 и 19.
Покажем аналитически, что более высокие значения Ку в диапазоне средних частот, когда влиянием емкостей 11 и 14 на Ку реализуются в схеме фиг.2.
Действительно, комплексный коэффициент передачи по напряжению ДУ фиг.2 определяется по формуле:
Figure 00000002
где
Figure 00000003
- комплекс эквивалентного выходного импеданса в цепи первого (6) выхода устройства;
Figure 00000004
- комплексная крутизна входного дифференциального каскада 1 в режиме короткого замыкания его первого (6) выхода. Комплекс эквивалентной нагрузки
Figure 00000003
можно найти но формуле:
Figure 00000005
где
Figure 00000006
- выходной ток узла 6;
Причем,
Figure 00000007
,
Figure 00000008
- комплексы входного и выходного токов дополнительного инвертирующего повторителя тока 15;
Figure 00000009
- комплексы токов через двухполюсники 7 и 5;
Figure 00000010
- комплекс импеданса первого 11 корректирующего конденсатора;
Figure 00000011
- коэффициент передачи по току второго 15 дополнительного инвертирующего повторителя тока и его входное сопротивление.
После преобразований последней формулы с учетом равенства
Figure 00000012
находим, что
Figure 00000013
Поэтому комплекс коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.2
Figure 00000014
или при
Figure 00000015
:
Figure 00000016
где
Figure 00000017
- коэффициент усиления ДУ-прототипа (2).
Таким образом, выигрыш по Кy, который дает схема ДУ фиг.2
Figure 00000018
Если ω=0, то
Figure 00000019
В области средних частот, когда можно пренебречь влиянием С11:
Figure 00000020
Из уравнения (8) следует ряд важных выводов:
1. Во-первых, эффективность по Ку предлагаемого схемотехнического решения фиг.2 зависит от параметров: Кi15, R5/R7, rвх.15/R13;
2. Во-вторых, для получения максимального выигрыша по Ку необходимо выбирать:
Figure 00000021
При этом модуль коэффициента
Figure 00000022
(8) ДУ фиг.2, характеризующего его эффективность:
Figure 00000023
График функции
Figure 00000024
показан на фиг.3. Начиная с частоты f3, эффективность ДУ фиг.2 уменьшается в связи с уменьшением коэффициента Кi15, влиянием емкости коллектор-база транзисторов 18 и 19 и их емкостей на подложку.
В схеме ДУ фиг.2 статический режим дополнительных инвертирующих повторителей тока 15 и 16 устанавливается двухполюсниками 16 и 17, которые в ряде случаев могут отсутствовать.
В схеме фиг.6 вводится общая отрицательная обратная связь по синфазному сигналу через дополнительные инвертирующие повторители тока 12 и 15. Кроме этого данная схема имеет низкоомные выходы Вых.1 и Вых. 2, что повышает устойчивость и стабильность статического режима ДУ при изменении параметров элементов.
График фиг.5, полученный в результате моделирования схемы фиг.4, соответствует фиг.3. Он показывает высокое совпадение теоретической (фиг.3) и практических характеристик. При этом выигрыш по Ку в диапазоне средних частот ДУ фиг.4, зависящем от численных значений емкостей коррекции С1=С0, достигает 35 дБ (т.е. почти два порядка).
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ устройствах, реализуемых по техпроцессу SG25VD, не содержащем p-n-p транзисторов.
Источники информации
1. Патент США №3.541.464
2. Патентная заявка WO 2004/102789
3. Патент США №5.389.893
4. Патент Японии JP 53-142849
5. А.св. СССР 1102019
6. Патентная заявка WO 2005/077525
7. Патентная заявка США №2006/0181348
8. Патентная заявка WO 2006/077525
9. Патент Англии GB 2419052
10. Патентная заявка США №2008/0290941
11. Патент WO 96/21271
12. Патентная заявка США 2009/0108882 fig.3
13. Патент Японии JP 55030218
14. Патент Англии GB 1350352
15. Патент Японии JP 54-47467
16. Патент Японии JP 55099810
17. Патент ФРГ DE 2821942

Claims (3)

1. Дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первую (4) шину источников питания, связанную с эмиттерной цепью входного дифференциального каскада (1), первый (5) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого соединен с первым (6) выходом устройства и первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), второй (7) резистор коллекторной нагрузки, первый вывод которого подключен ко второму (8) выходу устройства и второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), вторую (9) шину источников питания, отличающийся тем, что второй вывод первого (5) резистора коллекторной нагрузки соединен со второй (9) шиной источников питания через первый (10) дополнительный двухполюсник и через первый (11) корректирующий конденсатор подключен ко входу первого (12) дополнительного инвертирующего повторителя тока, второй вывод второго (7) резистора коллекторной нагрузки соединен со второй (9) шиной источников питания через второй (13) дополнительный двухполюсник и через второй (14) корректирующий конденсатор подключен ко входу второго (15) дополнительного инвертирующего повторителя тока, выход первого (12) дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), выход второго (15) дополнительного инвертирующего повторителя тока подключен к первому (2) токовому выходу входного дифференциального каскада (1), причем общие эмиттерные выходы первого (12) и второго (15) дополнительных инвертирующих повторителей тока связаны с первой (4) шиной источников питания.
2. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что вход первого (12) дополнительного инвертирующего повторителя тока соединен со второй (9) шиной источников питания через первый вспомогательный резистор (16), а вход второго (15) дополнительного инвертирующего повторителя тока соединен со второй (9) шиной источников питания через второй вспомогательный резистор (17).
3. Дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что в схему введены первый (21) и второй (22) вспомогательные транзисторы, базы которых соединены с соответствующими первым (2) и вторым (3) токовыми выходами входного дифференциального каскада (1), эмиттер первого (21) и второго (22) вспомогательных транзисторов связаны друг с другом через последовательно соединенные первый (23) и второй (24) согласующие резисторы, общий узел которых связан со входом первого (12) дополнительного инвертирующего повторителя тока через третий (25) согласующий резистор, и четвертый (26) согласующий резистор соединен со входом второго (15) дополнительного инвертирующего повторителя тока.
RU2010118881/09A 2010-05-11 2010-05-11 Дифференциальный усилитель RU2421888C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010118881/09A RU2421888C1 (ru) 2010-05-11 2010-05-11 Дифференциальный усилитель

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010118881/09A RU2421888C1 (ru) 2010-05-11 2010-05-11 Дифференциальный усилитель

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2421888C1 true RU2421888C1 (ru) 2011-06-20

Family

ID=44738196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010118881/09A RU2421888C1 (ru) 2010-05-11 2010-05-11 Дифференциальный усилитель

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2421888C1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2519440C1 (ru) * 2012-11-29 2014-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Трансимпедансный преобразователь сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей
RU2543298C2 (ru) * 2012-07-27 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Управляемый избирательный усилитель

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2543298C2 (ru) * 2012-07-27 2015-02-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Управляемый избирательный усилитель
RU2519440C1 (ru) * 2012-11-29 2014-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Трансимпедансный преобразователь сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2421879C1 (ru) Дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией
RU2419197C1 (ru) Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению
RU2428786C1 (ru) Каскодный усилитель
RU2364020C1 (ru) Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу
Shahsavari et al. A new frequency compensation method based on differential current conveyor
RU2472210C1 (ru) Генератор гиперхаотических колебаний
RU2421880C1 (ru) Широкополосный усилитель
RU2421888C1 (ru) Дифференциальный усилитель
RU2427071C1 (ru) Широкополосный усилитель
RU2380824C1 (ru) Усилитель переменного тока с управляемым усилением
RU2321156C1 (ru) Широкополосный усилитель
RU2422981C1 (ru) Дифференциальный усилитель переменного тока
RU2432667C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания
RU2416155C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель
RU2475942C1 (ru) Широкополосный дифференциальный усилитель
RU2460206C1 (ru) Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания
RU2432668C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом
RU2423778C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель с высокочастотной коррекцией
RU2441316C1 (ru) Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания
RU2396698C1 (ru) Дифференциальный усилитель
RU2421881C1 (ru) Дифференциальный усилитель
RU2475946C1 (ru) Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами
RU2411636C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля
RU2468500C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель
RU2320078C1 (ru) Комплементарный дифференциальный усилитель

Legal Events

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

Effective date: 20130512