RU2423779C1 - Differential amplifier with low-voltage input transistors - Google Patents
Differential amplifier with low-voltage input transistors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2423779C1 RU2423779C1 RU2010129506/09A RU2010129506A RU2423779C1 RU 2423779 C1 RU2423779 C1 RU 2423779C1 RU 2010129506/09 A RU2010129506/09 A RU 2010129506/09A RU 2010129506 A RU2010129506 A RU 2010129506A RU 2423779 C1 RU2423779 C1 RU 2423779C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistors
- input
- output
- collectors
- collector
- 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, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ- и СВЧ-диапазонов).The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, broadband and selective amplifiers of the high and microwave ranges).
В современной микросхемотехнике широкое распространение получили дифференциальные усилители (ДУ), содержащие два последовательно включенных параллельно-балансных каскада [1-7].In modern microcircuitry, differential amplifiers (DEs) containing two series-parallel parallel-balanced cascades are widely used [1-7].
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический двухкаскадный ДУ, описанный в монографии «Проектирование и применение операционных усилителей» / перевод с англ. В.Л.Левина и И.М.Хейфеца. / Под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1974. - С.149, фиг.4.7The closest prototype of the claimed device is a classic two-stage remote control described in the monograph "Design and use of operational amplifiers" / translation from English. V.L. Levina and I.M. Kheyfets. / Ed. I.N. Teplyuk. - M .: Mir, 1974. - P.149, Fig.4.7
Он содержит входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов.It contains an input
Существенный недостаток известного устройства фиг.1 состоит в том, что его входные транзисторы 2 и 3 должны быть достаточно высоковольтными, т.е. иметь напряжение пробоя p-n-перехода коллектор-база, превышающее напряжение коллекторного источника питания . Это существенно снижает возможности такой архитектуры, не позволяет применять на входе ДУ так называемые «супер-β» транзисторы, для которых напряжение коллектор-база должно быть близко к нулю не только в статическом, но и в динамических режимах [8]. Кроме этого, существующие тенденции в SiGe технологиях также не допускают (в ряде случаев) использовать режимы работы входных СВЧ-транзисторов 2 и 3 при граничной частоте fт=200÷300 ГГц с изменяющимся на 1÷2 В под действием входного сигнала напряжением коллектор-база.A significant disadvantage of the known device of figure 1 is that its
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы за счет новых элементов и связей между ними создать такие условия работы входных транзисторов ДУ, при которых во всем диапазоне входных сигналов их напряжение коллектор-база будет изменяться в пределах 50-100 мВ. Это позволит использовать в качестве данных активных элементов биполярные структуры с малым напряжением коллектор-база и получить, таким образом, новые качества устройства - сверхмалый входной ток за счет высоких значений β применяемых низковольтных транзисторов [8], малые шумы, более высокий частотный диапазон за счет использования SiGe технологий и т.п.The main objective of the invention is to create, due to new elements and the connections between them, such operating conditions for the input transistors of the remote control, under which their collector-base voltage will vary in the range of 50-100 mV over the entire range of input signals. This will make it possible to use bipolar structures with a low collector-base voltage as the active element data and thus obtain new device qualities — an ultra-low input current due to the high β values of the applied low-voltage transistors [8], low noise, and a higher frequency range due to use of SiGe technologies, etc.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - второй вывод первого 6 резистора нагрузки соединен с коллектором первого 8 выходного транзистора, второй вывод второго 7 резистора нагрузки соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого 6 и второго 9 выходных транзисторов и общей шиной источников питания 16 включен дополнительный прямосмещенный p-n-переход 17.The problem is solved in that in the differential amplifier of figure 1, containing the input
На фиг.1, 2 приведены схемы ДУ-прототипа (фиг.1) и заявляемого ДУ (фиг.2).Figure 1, 2 shows a diagram of the remote control prototype (figure 1) and the claimed remote control (figure 2).
На фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в среде Cadence на моделях SiGe транзисторов (SGB25VD).Figure 3 shows a diagram of the claimed remote control in a Cadence environment on models of SiGe transistors (SGB25VD).
Графики фиг.4 характеризуют зависимость напряжений на коллекторах входных транзисторов от входного сигнала в схеме фиг.3.The graphs of figure 4 characterize the dependence of the voltages on the collectors of the input transistors from the input signal in the circuit of figure 3.
Графики фиг.5 показывают зависимость напряжений на выходах устройства фиг.3 от входного сигнала, а график фиг.6 - это амплитудно-частотная характеристика ДУ фиг.3.The graphs of figure 5 show the dependence of the voltages at the outputs of the device of figure 3 from the input signal, and the graph of figure 6 is the amplitude-frequency characteristic of the remote control of figure 3.
Дифференциальный усилитель с низковольтными входными транзисторами содержит входной дифференциальный каскад 1 на основе первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первый 4 и второй 5 токовые выходы входного дифференциального каскада 1, связанные с коллекторами соответствующих первого 2 и второго 3 входных транзисторов, первыми выводами соответствующих первого 6 и второго 7 резисторов нагрузки, а также базами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, источник опорного тока 10, связанный с объединенными эмиттерами первого 8 и второго 9 выходных транзисторов, первый 11 и второй 12 вспомогательные резисторы, включенные между шиной питания 13 и коллекторами соответствующих первого 8 и второго 15 выходных транзисторов, первый 14 и второй 15 выходы устройства, связанные с коллекторами соответствующих первого 8 и второго 9 выходных транзисторов. Второй вывод первого 6 резистора нагрузки соединен с коллектором первого 8 выходного транзистора, второй вывод второго 7 резистора нагрузки соединен с коллектором второго 9 выходного транзистора, причем между объединенными эмиттерами первого 6 и второго 9 выходных транзисторов и общей шиной источников питания 16 включен дополнительный прямосмещенный p-n-переход 17.A differential amplifier with low-voltage input transistors contains an input
Рассмотрим работу известного (фиг.1) и заявляемого (фиг.2) ДУ. В ДУ-прототипе фиг.1 напряжение на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 в статическом режиме определяется по формулам:Consider the work of the known (figure 1) and the claimed (figure 2) remote control. In the remote control prototype of FIG. 1, the voltage across the collectors of the
где Iк2, Iк3 - коллекторные токи входных транзисторов 2 и 3, которые могут изменяться под действием сигнала в диапазоне 0÷2I0 (I1=2I0 - статический ток общей эмиттерной цепи входного дифференциального каскада 1).where I k2 , I k3 are the collector currents of the
Крайние значения {0, 2I0} коллекторные токи Iк2 и Iк3 принимают при входных сигналах uвх>±50 мВ. Поэтому напряжения на коллекторах входных 2 и 3 транзисторов ДУ фиг.1 в рабочих режимах могут достигать значений (1) и (2), близких к напряжению коллекторного питания , и, следовательно, входные транзисторы ДУ фиг.1 должны иметь напряжение пробоя, превышающее .The extreme values {0, 2I 0 } of the collector currents I k2 and I k3 are taken with input signals u in > ± 50 mV. Therefore, the voltage at the collectors of the
В заявляемом устройстве фиг.2 напряжение на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 практически не изменяется, так как не зависит от численных значений коллекторных токов Iк2 и Iк3:In the inventive device of figure 2, the voltage across the collectors of the
Следует учесть, что напряжение на эмиттерных p-n-переходах транзисторов имеет логарифмическую зависимость от эмиттерных токов:It should be noted that the voltage at the emitter pn junctions of the transistors has a logarithmic dependence on the emitter currents:
где φт≈25 мВ - температурный потенциал;where φ t ≈25 mV is the temperature potential;
Uxx.i - напряжение на эмиттерном переходе при токе эмиттерного перехода Iэi=Ixx (например, для многих кремниевых транзисторов Uxx=0,51 В при Ixx=1 мкА).U xx.i is the voltage at the emitter junction at an emitter junction current I ei = I xx (for example, for many silicon transistors U xx = 0.51 V at I xx = 1 μA).
Таким образом, из (3)-(5) следует, чтоThus, it follows from (3) - (5) that
Диапазон изменения эмиттерного тока транзистора 8 зависит от диапазона изменения тока коллектора первого 2 входного транзистора. Если Iк2.min≈0, то Iэ8.max≈/R11. При Iк2.max=2I0 выполняется условие:The range of variation of the emitter current of the
То есть минимальный эиттерный ток транзистора 8:That is, the minimum eitter current of transistor 8:
Учитывая, что ток через p-n-переход 17 практически не изменяется, можно найти крайние значения напряжения на коллекторе первого 2 входного транзистора:Considering that the current through the pn junction 17 does not practically change, one can find the extreme values of the voltage at the collector of the first 2 input transistor:
С учетом последних соотношений, находим, что диапазон изменения напряжения на коллекторе транзистора 2Given the latest relations, we find that the voltage variation range on the collector of
Если, например, выбрать 2I0(R6+R11)=0,5, то «теоретический» перепад напряжения ΔUк2 не будет превышать ΔUк2=8÷15 мВ.If, for example, choose 2I 0 (R 6 + R 11 ) = 0.5 , then the “theoretical” voltage drop ΔU k2 will not exceed ΔU k2 = 8 ÷ 15 mV.
Таким образом, в заявляемой схеме входные транзисторы 2 и 3 работают при малых изменениях напряжения на коллекторе и могут быть низковольтными.Thus, in the claimed circuit, the
Напряжение на выходе Вых.1 ДУ фиг.2 может принимать под действием сигнала два крайних значенияThe voltage at the output of
Таким образом, динамический диапазон изменения выходного дифференциального напряжения ДУ фиг.2Thus, the dynamic range of the output differential voltage of the remote control of figure 2
Представленные на фиг.6 результаты компьютерного моделирования подтверждают данные теоретические выводы - напряжения на коллекторах входных транзисторов 2 и 3 изменяются не более чем на 70 мВ. При этом диапазон сужения выходных сигналов (фиг.5) ΔUвых≈0,9 B, a частотный диапазон ДУ - 9,1 ГГц.Presented in Fig.6, the results of computer simulations confirm these theoretical conclusions - the voltage at the collectors of the
Источники информацииInformation sources
1. Патентная заявка США №2010/0102884 fig.2.1. US patent application No. 2010/0102884 fig.2.
2. Патент США №3.970.947.2. US Patent No. 3,970.947.
3. Патент США №4.97439.696.3. US patent No. 4.97439.696.
4. Патент США №5.550.512 fig.2.4. US patent No. 5.550.512 fig.2.
5. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов [Текст] / В.И.Анисимов, М.В.Капитонов, Н.Н.Прокопенко, Ю.М.Соколов - Л., 1979. - С.145, рис.145.5. Operational amplifiers with a direct connection of cascades [Text] / V.I. Anisimov, M. V. Kapitonov, N. N. Prokopenko, Yu. M. Sokolov - L., 1979. - P.145, Fig. 145.
6. Рутковски, Дж. Интегральные операционные усилители. Справочное руководство [Текст] / Дж.Рутковски; перевод с англ. Б.Н.Бронина; под ред. М.В.Гальперина. - М.: Мир, 1978. - фиг.1.9 (рис.1.20).6. Rutkowski, J. Integrated Operational Amplifiers. Reference Guide [Text] / J. Rutkowski; translation from English B.N. Bronin; under the editorship of M.V. Galperina. - M .: Mir, 1978. - Fig. 1.9 (Fig. 1.20).
7. Проектирование и применение операционных усилителей [Текст] /перевод с англ. В.Л.Левина и И.М.Хейфеца; под ред. И.Н.Теплюка. - М.: Мир, 1974. - С.158 (фиг.4.10), С.145 (фиг.4.4).7. Design and use of operational amplifiers [Text] / translation from English. V.L. Levina and I.M. Kheyfets; under the editorship of I.N. Teplyuk. - M .: Mir, 1974. - P.158 (Fig.4.10), P.145 (Fig.4.4).
8. Гальперин М.В. Усилители постоянного тока [Текст] / М.В.Гальперин, Ю.П.Злобин, В.А.Павленко. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1978. - 248 с., ил. - С.82-83.8. Halperin M.V. DC Amplifiers [Text] / M.V. Halperin, Yu.P. Zlobin, V.A. Pavlenko. - Ed. 2nd, rev. and add. - M .: Energy, 1978.- 248 p., Ill. - S. 82-83.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010129506/09A RU2423779C1 (en) | 2010-07-15 | 2010-07-15 | Differential amplifier with low-voltage input transistors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010129506/09A RU2423779C1 (en) | 2010-07-15 | 2010-07-15 | Differential amplifier with low-voltage input transistors |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2423779C1 true RU2423779C1 (en) | 2011-07-10 |
Family
ID=44740465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010129506/09A RU2423779C1 (en) | 2010-07-15 | 2010-07-15 | Differential amplifier with low-voltage input transistors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2423779C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2571399C1 (en) * | 2014-10-28 | 2015-12-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Differential amplifier based on radiation-resistant bipolar-field technological process for operation at low temperatures |
-
2010
- 2010-07-15 RU RU2010129506/09A patent/RU2423779C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ШИЛО В.Л. Линейные интегральные схемы в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Сов. радио, 1979, с.99. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2571399C1 (en) * | 2014-10-28 | 2015-12-20 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Differential amplifier based on radiation-resistant bipolar-field technological process for operation at low temperatures |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2423779C1 (en) | Differential amplifier with low-voltage input transistors | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2536672C1 (en) | Low-output capacitance composite transistor | |
RU2523947C1 (en) | Output stage of power amplifier based on complementary transistors | |
RU2414808C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2475941C1 (en) | Differential amplifier with complementary input cascade | |
RU2383099C2 (en) | Differential amplifier with low-resistance inputs | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2390912C2 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2420862C1 (en) | Differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2595923C1 (en) | High-speed operational amplifier based on "bent" cascode | |
RU2309531C1 (en) | Differential amplifier with expanded range of cophased signal change | |
RU2390921C1 (en) | Operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2337395C1 (en) | Controlled source of reference current | |
RU2450423C1 (en) | Complementary differential amplifier | |
RU2421881C1 (en) | Differential amplifier | |
CN112825003B (en) | Amplifier device and voltage-current conversion device | |
RU2773912C1 (en) | Gallium arseniide output stage of a fast operational amplifier | |
RU2400924C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130716 |