RU2432667C1 - Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания - Google Patents
Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания Download PDFInfo
- Publication number
- RU2432667C1 RU2432667C1 RU2010143382/09A RU2010143382A RU2432667C1 RU 2432667 C1 RU2432667 C1 RU 2432667C1 RU 2010143382/09 A RU2010143382/09 A RU 2010143382/09A RU 2010143382 A RU2010143382 A RU 2010143382A RU 2432667 C1 RU2432667 C1 RU 2432667C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- emitter
- bus
- current
- 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, ВЧ и СВЧ-усилителях и т.п.). Технический результат: повышение предельных значений коэффициента усиления по напряжению дифференциального усилителя (ДУ) при низковольтном питании. ДУ содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, буферный эмиттерный повторитель (ЭП) (4), вход которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного ДК (1) и через первый (5) двухполюсник коллекторной нагрузки (ДКН) связан с шиной первого (6) источника питания (ИП), второй (7) ДКН, включенный между первым (2) токовым выходом входного ДК (1) и шиной первого (6) ИП, вторую (8) шину ИП, связанную с эмиттерными цепями входного ДК (1) и ЭП (4). В схему введен дополнительный согласующий транзистор (9), эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного ДК (1), база соединена с выходом ЭП (4), а коллектор подключен ко входу дополнительного токового зеркала (ТЗ) (10), причем выход ТЗ (10) соединен со входом ЭП (4), а общий эмиттерный выход (11) ТЗ (10) связан с источником напряжения смещения потенциалов (11). 1 з.п. ф-лы, 9 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, фильтрах и т.п.).
В современной микроэлектронике находят применение классические дифференциальные операционные усилители (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 технологий [10].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный ОУ в устройстве по патенту US 6285245, фиг.1.
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 (Еп≤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.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, буферный эмиттерный повторитель 4, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки связан с шиной первого 6 источника питания, второй 7 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и шиной первого 6 источника питания, вторую 8 шину источника питания, связанную с эмиттерными цепями входного дифференциального каскада 1 и буферного эмиттерного повторителя 4, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен дополнительный согласующий транзистор 9, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база соединена с выходом буферного эмиттерного повторителя 4, а коллектор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 10, причем выход дополнительного токового зеркала 10 соединен со входом буферного эмиттерного повторителя 4, а общий эмиттерный выход 11 дополнительного токового зеркала 10 связан с источником напряжения смещения потенциалов 11.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.
На чертеже фиг.3 показана схема заявляемого ДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения.
На чертеже фиг.4 приведен частный пример схемы ДУ фиг.2, в котором узел 11 связан с выходами ДУ.
На чертеже фиг.5 представлена схема ДУ-прототипа фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях интегральных SiGe транзисторов, а на чертеже фиг.6 - заявляемого ДУ фиг.2 со 100% отрицательной обратной связью.
Графики фиг.7 характеризуют частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Ку) сравниваемых ДУ фиг.5 и 6.
На чертеже фиг.8 приведен график зависимости коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.6 от неидентичности (абсолютной разности) сопротивлений резисторов 7 и 5 (двухполюсников коллекторной нагрузки 7 и 5).
График фиг.9 характеризует частотную зависимость максимально возможного Ку, который реализуется при разности сопротивлений двухполюсников коллекторной нагрузки 7 и 5 Rdiff=40 Ом.
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, буферный эмиттерный повторитель 4, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через первый 5 двухполюсник коллекторной нагрузки связан с шиной первого 6 источника питания, второй 7 двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и шиной первого 6 источника питания, вторую 8 шину источника питания, связанную с эмиттерными цепями входного дифференциального каскада 1 и буферного эмиттерного повторителя 4. В схему введен дополнительный согласующий транзистор 9, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, база соединена с выходом буферного эмиттерного повторителя 4, а коллектор подключен ко входу дополнительного токового зеркала 10, причем выход дополнительного токового зеркала 10 соединен со входом буферного эмиттерного повторителя 4, а общий эмиттерный выход 11 дополнительного токового зеркала 10 связан с источником напряжения смещения потенциалов 11. В частном случае (фиг.2), входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 12, 13 и источнике тока 14, а буферный эмиттерный повторитель 4 содержит транзистор 15 и двухполюсник 16.
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, в качестве источника напряжения смещения потенциалов 11 используется вторая 8 шина источника питания.
На чертеже фиг.4 в качестве цепи смещения потенциалов 11 используется выход буферного эмиттерного повторителя 4.
Рассмотрим работу ДУ фиг.1 и 3 на переменном токе.
Коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.1 без обратной связи определяется сопротивлением первого 5 двухполюсника коллекторной нагрузки:
где S1-2=(rэ12+rэ13)-1 - крутизна усиления входного дифференциального каскада 1, зависящая от сопротивлений эмиттерных переходов (rэ12, rэ13) входных транзисторов 12 и 13 входного дифференциального каскада 1.
Покажем аналитически, что более высокие значения Ку реализуются в схеме фиг.3.
Коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.3 можно найти по формуле
где Rэкв.3 - эквивалентное сопротивление в узле 3;
u3 - напряжение в узле 3;
φT≈25 мВ - температурный потенциал.
Изменение u3 в узле 3 приводит к появлению токов iR5 через двухполюсник коллекторной нагрузки 5 и iR7 через двухполюсник 7:
где u2≈uвых≈u3 - напряжения в узле 2, на выходе ДУ и в узле 3. Последнее равенство объясняется единичной передачей по напряжению эмиттерных повторителей на транзисторах 15 и 9.
Приращение iR7 поступает через транзистор 9 на вход дополнительного токового зеркала 10, что создает ток i10 на его выходе:
где Ki12.10≈1, α9≈1 - коэффициенты передачи по току дополнительного токового зеркала 10 и тока эмиттера дополнительного согласующего транзистора 9.
Следовательно, эквивалентное приращение тока в узле 3 (iэкв.3) и эквивалентное сопротивление в узле 3:
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению разомкнутого ДУ фиг.3:
Если выбрать R5=R7 и K i12.10 ≈0,99, то из (1) и (7) следует, что в предлагаемом ДУ коэффициент усиления Ку повышается в Nу-раз, где
Предельные значения Kymax в схеме фиг.3 определяются выходным сопротивлением дополнительного токового зеркала 10 и входным сопротивлением эмиттерного повторителя на транзисторе 15.
Графики фиг.7 получены в результате моделирования сравниваемых схем фиг.5, 6. Они показывают, что в заявляемом ДУ выигрыш по Ку (без обратной связи) достигает 36 дБ (т.е. почти два порядка).
Еще больший выигрыш по Ку реализуется при введении небольшой асимметрии сопротивлений резисторов R5 и R7 (фиг.8, 9).
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных СВЧ устройствах, реализуемых по техпроцессу SG25H2 и т.п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США №3541464.
2. Патентная заявка WO 2004/102789.
3. Патент США №5389893.
4. Патент JP 53-142849.
5. A.с. CCCP 1102019.
6. Патентная заявка WO 2005/077525.
7. Патентная заявка США №2006/0181348.
8. Патентная заявка WO 2006/077525.
9. Патент GB 2419052.
10. Патентная заявка США №2008/0290941.
11. Патент WO 96/21271.
12. Патентная заявка США 2009/0108882, fig.3.
13. Патент JP 55030218.
14. Патент GB 1350352.
15. Патент JP 54-47467.
16. Патент JP 55099810.
11. Патент DE 2821942.
Claims (2)
1. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, буферный эмиттерный повторитель (4), вход которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через первый (5) двухполюсник коллекторной нагрузки связан с шиной первого (6) источника питания, второй (7) двухполюсник коллекторной нагрузки, включенный между первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и шиной первого (6) источника питания, вторую (8) шину источника питания, связанную с эмиттерными цепями входного дифференциального каскада (1) и буферного эмиттерного повторителя (4), отличающийся тем, что в схему введен дополнительный согласующий транзистор (9), эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), база соединена с выходом буферного эмиттерного повторителя (4), а коллектор подключен ко входу дополнительного токового зеркала (10), причем выход дополнительного токового зеркала (10) соединен со входом буферного эмиттерного повторителя (4), а общий эмиттерный выход (11) дополнительного токового зеркала (10) связан с источником напряжения смещения потенциалов (11).
2. Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника напряжения смещения потенциалов (11) используется вторая (8) шина источника питания.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143382/09A RU2432667C1 (ru) | 2010-10-22 | 2010-10-22 | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010143382/09A RU2432667C1 (ru) | 2010-10-22 | 2010-10-22 | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2432667C1 true RU2432667C1 (ru) | 2011-10-27 |
Family
ID=44998212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010143382/09A RU2432667C1 (ru) | 2010-10-22 | 2010-10-22 | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2432667C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613842C1 (ru) * | 2015-10-20 | 2017-03-21 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2724921C1 (ru) * | 2020-02-06 | 2020-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Операционный усилитель с парафазным выходом для активных rc-фильтров, работающих в условиях воздействия потока нейтронов и низких температур |
-
2010
- 2010-10-22 RU RU2010143382/09A patent/RU2432667C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2613842C1 (ru) * | 2015-10-20 | 2017-03-21 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
| RU2724921C1 (ru) * | 2020-02-06 | 2020-06-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Операционный усилитель с парафазным выходом для активных rc-фильтров, работающих в условиях воздействия потока нейтронов и низких температур |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2419197C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
| Mohan et al. | A 16-$\Omega $ Audio Amplifier With 93.8-mW Peak Load Power and 1.43-mW Quiescent Power Consumption | |
| RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
| CN102545806A (zh) | 差动放大器 | |
| Liu et al. | Design of single-stage folded-cascode gain boost amplifier for 14bit 12.5 Ms/S pipelined analog-to digital converter | |
| RU2432667C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2427071C1 (ru) | Широкополосный усилитель | |
| US9755588B2 (en) | Signal output circuit | |
| RU2416146C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
| RU2390916C1 (ru) | Прецизионный операционный усилитель | |
| RU2321159C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2419196C1 (ru) | Широкополосный дифференциальный усилитель | |
| RU2421888C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| CN116505900A (zh) | 高速小信号放大电路 | |
| RU2460206C1 (ru) | Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2422981C1 (ru) | Дифференциальный усилитель переменного тока | |
| RU2475941C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом | |
| RU2421882C1 (ru) | Двухкаскадный вч-усилитель | |
| RU2321158C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2383099C2 (ru) | Дифференциальный усилитель с низкоомными входами | |
| RU2411636C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2441316C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2446554C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2432668C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131023 |