RU2421893C1 - Каскодный дифференциальный усилитель - Google Patents
Каскодный дифференциальный усилитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2421893C1 RU2421893C1 RU2010119384/09A RU2010119384A RU2421893C1 RU 2421893 C1 RU2421893 C1 RU 2421893C1 RU 2010119384/09 A RU2010119384/09 A RU 2010119384/09A RU 2010119384 A RU2010119384 A RU 2010119384A RU 2421893 C1 RU2421893 C1 RU 2421893C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- current
- input
- collector
- input differential
- Prior art date
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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.). Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R9=R7=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В). Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения (6), эмиттер первого (4) выходного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (5) выходного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (11) и второй (12) источники питания, причем первый (11) источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада (1). В схему введены первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока, выход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), выход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), вход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки и через первый (15) дополнительный двухполюсник соединен со вторым (12) источником питания, вход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки и через второй (16) дополнительный резистор соединен со вторым (12) источником питания. 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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).
В современной микроэлектронике широко применяются простейшие каскодные дифференциальные усилители (ДУ) (фиг.1), которые используются в качестве элементарных операционных усилителей с дифференциальным выходом, фильтров на их основе, СВЧ усилителей, фазорасщипителей и т.п. Коэффициент усиления по напряжению (Kу) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи входных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ меньше 2,0÷2,5 В, что накладывает существенные ограничения на величину сопротивления коллекторных резисторов, которые не должны превышать единиц килоом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в патенте США №4.511.852 fig.3. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1.
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [2-15], состоит в том, что при использовании резисторов коллекторной нагрузки 7 и 9 с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (Kу), например, для выхода Вых.2 получается небольшим:
где R9 - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
rэi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора.
Например, при R9=1 кОм и rэ17=rэ18=25 Ом, коэффициент усиления ДУ-прототипа Kу.прот≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению при использовании сравнительно низкоомных резисторов коллекторной нагрузки (например, R9=R7=1÷2 кОм) в условиях ограничений SiGe-технологии на напряжения питания (±2,0÷2,5 В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником 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 представлена схема ДУ в соответствии с п.3 формулы изобретения.
На фиг.4 показана схема ДУ фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных транзисторов HJW ФГУП НИИ «Пульсар», а на фиг.5 - заявляемого устройства фиг.2.
На фиг.6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.4 и фиг.5. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R13=R12=1 кОм), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.5) повышается на 24 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с Kу ДУ-прототипа фиг.4. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 и второй 5 выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения 6, эмиттер первого 4 выходного транзистора соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, эмиттер второго 5 выходного транзистора соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, первый 7 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым 8 выходом устройства и коллектором первого 4 выходного транзистора, второй 9 резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым 10 выходом устройства и коллектором второго 5 выходного транзистора, первый 11 и второй 12 источники питания, причем первый 11 источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада 1. В схему введены первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока, выход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, выход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, вход первого 13 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого 7 резистора коллекторной нагрузки и через первый 15 дополнительный двухполюсник соединен со вторым 12 источником питания, вход второго 14 неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго 9 резистора коллекторной нагрузки и через второй 16 дополнительный резистор соединен со вторым 12 источником питания.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены на транзисторах 20 и 21, включенных по схеме с общей базой.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 13 и второй 14 неинвертирующие повторители тока выполнены в виде двухполюсников 22 и 23 с низким дифференциальным сопротивлением - стабилитронов или их более сложных транзисторных аналогов.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсниками 19, 15 и 16. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 4 и 5, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 по выходам Вых.2 и Вых.1 определяется по формулам:
где Rн.экв.2, Rн.экв.1 - эквивалентные сопротивления в узлах «Вых.2» и «Вых.1» соответственно;
rэ17=rэ18 - сопротивление эмиттерных переходов транзисторов 17 и 18.
Причем Rн.экв.2 и Rн.экв.1 как выходные сопротивления при одновременном противофазном изменении uвых.2 и uвых.1 можно найти из выражения:
где
В последних формулах:
Ki13≤1, Ki14≤1 - коэффициенты усиления по току токовых зеркал 13 и 14;
uвых=uвых.1=uвыx.2 - амплитуда выходных противофазных напряжений ДУ.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2:
где Kу.прот - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1.
Поэтому выигрыш по Kу в схеме фиг.2
В практических схемах Ki14 и Ki13 всегда меньше единицы (Ki14=0,9÷0,99, Ki13=0,98÷0,99). Тем не менее выигрыш по Kу.з получается значительным - на 24 дБ (фиг.6).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления в сравнении с прототипом.
Источники информации
1. Патент США №3.660.773
2. Патент Франции №1.484.340
3. Патент ФРГ №1.214.733
4. Патент Англии №1.520.085
5. Патент США №3.482.177
6. Патент Англии №1.212.342 Н3Т
7. Патент ФРГ №1.537.590
8. Патент Франции №1.548.008
9. Патент ФРГ №2.418.455
10. Патент США №5.185.582 fig.1
11. Патент США №4.151.483 fig.3
12. Патент Японии JP 61264806
13. Патент США №3.660.773
14. Авт.св. СССР №427451
Claims (3)
1. Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) и второй (5) выходные транзисторы, базы которых соединены с источником напряжения смещения (6), эмиттер первого (4) выходного транзистора соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), эмиттер второго (5) выходного транзистора соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), первый (7) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом с первым (8) выходом устройства и коллектором первого (4) выходного транзистора, второй (9) резистор коллекторной нагрузки, связанный первым выводом со вторым (10) выходом устройства и коллектором второго (5) выходного транзистора, первый (11) и второй (12) источники питания, причем первый (11) источник питания связан с эмиттерной цепью питания входного дифференциального каскада (1), отличающийся тем, что в схему введены первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока, выход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), выход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), вход первого (13) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом первого (7) резистора коллекторной нагрузки и через первый (15) дополнительный двухполюсник соединен со вторым (12) источником питания, вход второго (14) неинвертирующего повторителя тока соединен со вторым выводом второго (9) резистора коллекторной нагрузки и через второй (16) дополнительный резистор соединен со вторым (12) источником питания.
2. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока выполнены на транзисторах (20) и (21), включенных по схеме с общей базой.
3. Каскодный дифференциальный усилитель по п.1, отличающийся тем, что первый (13) и второй (14) неинвертирующие повторители тока выполнены в виде двухполюсников (22) и (23) с низким дифференциальным сопротивлением, например стабилитронов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010119384/09A RU2421893C1 (ru) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010119384/09A RU2421893C1 (ru) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2421893C1 true RU2421893C1 (ru) | 2011-06-20 |
Family
ID=44738201
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010119384/09A RU2421893C1 (ru) | 2010-05-14 | 2010-05-14 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2421893C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463703C1 (ru) * | 2011-11-10 | 2012-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
| RU2571400C1 (ru) * | 2014-10-30 | 2015-12-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном |
-
2010
- 2010-05-14 RU RU2010119384/09A patent/RU2421893C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2463703C1 (ru) * | 2011-11-10 | 2012-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
| RU2571400C1 (ru) * | 2014-10-30 | 2015-12-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2419197C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
| RU2421893C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2413355C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2346388C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2396699C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным входным дифференциальным сопротивлением | |
| JP6389144B2 (ja) | 電流検出回路 | |
| RU2411636C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2475941C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом | |
| RU2413356C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением | |
| RU2441316C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2396698C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2419187C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенной стабильностью нулевого уровня | |
| RU2421878C1 (ru) | Каскодный широкополосный усилитель | |
| RU2421882C1 (ru) | Двухкаскадный вч-усилитель | |
| KR101360648B1 (ko) | 제2세대 전류 컨베이어를 이용한 계측 증폭기 | |
| RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2412530C1 (ru) | Комплементарный дифференциальный усилитель | |
| RU2455758C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2390914C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2401509C1 (ru) | Буферный усилитель | |
| RU2459348C1 (ru) | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления | |
| RU2421895C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2394360C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным входным сопротивлением | |
| RU2444116C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130515 |