RU2444116C1 - Differential amplifier with low supply voltage - Google Patents
Differential amplifier with low supply voltage Download PDFInfo
- Publication number
- RU2444116C1 RU2444116C1 RU2011104898/08A RU2011104898A RU2444116C1 RU 2444116 C1 RU2444116 C1 RU 2444116C1 RU 2011104898/08 A RU2011104898/08 A RU 2011104898/08A RU 2011104898 A RU2011104898 A RU 2011104898A RU 2444116 C1 RU2444116 C1 RU 2444116C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- input
- additional
- bus
- stabilizing
- 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, в операционных усилителях (ОУ), компараторах и т.п.) с малым напряжением питания.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 for various functional purposes (for example, in operational amplifiers (op amps), comparators, etc.) with a low supply voltage.
Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ) с токостабилизирующим двухполюсником в эмиттерной цепи входных транзисторов и с выходным каскадом, выполненном на повторителе тока (токовом зеркале). ДУ с такой архитектурой стали основой построения многих современных операционных усилителей [1-12], в т.ч. ОУ с опцией rail-to-rail, имеющих максимальную амплитуду выходного напряжения, близкую к напряжению питания. Однако такие ДУ имеют недостаточно высокое ослабление входных синфазных сигналов (коэффициент Кос.сф) при использовании в общей эмиттерной цепи в качестве токостабилизирующего двухполюсника пассивных элементов (резисторов), что отрицательно сказывается на точности аналоговых интерфейсов с их использованием. Это связано с тем, что для получения больших значений Кос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующего резистора на уровне сотен килоом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании (Еп=1,5÷5 В). С другой стороны, при малых напряжениях питания (Еп=±1 В применение токостабилизирующих резисторов являетсяThere are known schemes of differential amplifiers (DE) with a current-stabilizing two-terminal in the emitter circuit of the input transistors and with an output stage made on a current repeater (current mirror). Remote controls with this architecture have become the basis for the construction of many modern operational amplifiers [1-12], including Op-amps with a rail-to-rail option having a maximum output voltage amplitude close to the supply voltage. However, such remote controls do not have a sufficiently high attenuation of the input common-mode signals (coefficient K os.sf ) when passive elements (resistors) are used in the common emitter circuit as a current stabilizing two-terminal network, which negatively affects the accuracy of analog interfaces with their use. This is due to the fact that in order to obtain large values of K OS, it is necessary to choose the resistance of the current-stabilizing resistor at the level of hundreds of kilo-ohms, which creates problems with the static mode at low-voltage power supply (E p = 1.5 ÷ 5 V). On the other hand, at low supply voltages (E p = ± 1 V, the use of current-stabilizing resistors is
единственным вариантом построения дифференциального каскада, так как другие схемы его построения по биполярным технологиям требуют напряжения питания не менее 1,5 В).the only option for constructing a differential cascade, since other schemes for constructing it using bipolar technologies require a supply voltage of at least 1.5 V).
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №4264873, fig. 3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, коллектор второго 2 входного транзистора соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного со второй 6 шиной источника питания, выход первого 5 токового зеркала подключен к выходу 7 устройства и через двухполюсник нагрузки 8 связан с первой 4 шиной источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 6 шиной источника питания.The closest prototype (figure 1) of the inventive device is a differential amplifier described in US patent No. 4264873, fig. 3, containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are combined and connected through the first 3 current-stabilizing two-terminal devices to the first 4 bus of the power supply, the collector of the second 2 input transistor is connected to the input of the first 5 current mirror, matched with the second 6 bus of the power supply, output the first 5 current mirror is connected to the output 7 of the device and through a two-
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов. Прежде всего, данный недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующего двухполюсника 3 резисторов или простейших источников тока на транзисторах с малым напряжением Эрли, которые при милиамперных токах имеют небольшое выходное сопротивление (порядка 30-60 кОм).A significant drawback of the known remote control is that it has a low attenuation of the input common-mode signals. First of all, this drawback manifests itself when using 3 resistors or the simplest current sources on Erly low voltage transistors as current-stabilizing two-terminal devices, which have a small output resistance (about 30-60 kOhm) at milliamp currents.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ (Кос.сф) при относительно небольших внутренних сопротивлениях токостабилизирующего двухполюсника 3. При этом в заявляемом ДУ в качестве токостабилизирующего двухполюсника при низковольтном питании могут применяться сравнительно низкоомные резисторы (единицы килоом). Тем не менее это несущественно сказывается на численных значениях Кос.сф.The main objective of the invention is to increase the attenuation coefficient of the input common-mode signals of the remote control (K OSF ) with relatively small internal resistances of the current-stabilizing two-
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, коллектор второго 2 входного транзистора соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного со второй 6 шиной источника питания, выход первого 5 токового зеркала подключен к выходу 7 устройства и через двухполюсник нагрузки 8 связан с первой 4 шиной источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 6 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - объединенные эмиттеры первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с базой дополнительного транзистора 9, коллектор дополнительного транзистора 9 соединен с первой 4 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 9 связан со входом дополнительного токового зеркала 10 через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, а выход дополнительного токового зеркала 10 соединен с выходом 7 устройства.The problem is solved in that in the differential amplifier of Fig. 1, containing the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are combined and connected through the first 3 current-stabilizing two-terminal devices to the first 4 bus of the power supply, the collector of the second 2 input transistor is connected to the input of the first 5 current the mirror, matched with the second 6 bus power source, the output of the first 5 current mirror is connected to the output 7 of the device and through a two-
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа. Схема заявляемого устройства показана на фиг.2.In Fig.1 shows a diagram of the remote control prototype. A diagram of the inventive device is shown in figure 2.
На фиг.3 представлена схема фиг.1 в среде компьютерного моделирования Cadance на моделях SiGe интегральных транзисторов, а на фиг.4 - заявляемого ДУ.In Fig.3 presents a diagram of Fig.1 in a computer simulation Cadance on SiGe models of integrated transistors, and in Fig.4 - of the claimed remote control.
На фиг.5 показаны частотные зависимости ее коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем ДУ фиг.3 и фиг.4.Figure 5 shows the frequency dependence of its gain in voltage of the compared schemes of the remote control of figure 3 and figure 4.
На фиг.6 приведены результаты компьютерного моделирования частотной зависимости Кос.сф сравниваемых схем фиг.3 и фиг.4.In Fig.6 shows the results of computer modeling of the frequency dependence of K OSF compared schemes of Fig.3 and Fig.4 .
Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, эмиттеры которых объединены и через первый 3 токостабилизирующий двухполюсник связаны с первой 4 шиной источника питания, коллектор второго 2 входного транзистора соединен со входом первого 5 токового зеркала, согласованного со второй 6 шиной источника питания, выход первого 5 токового зеркала подключен к выходу 7 устройства и через двухполюсник нагрузки 8 связан с первой 4 шиной источника питания, причем коллектор первого 1 входного транзистора связан со второй 6 шиной источника питания. Объединенные эмиттеры первого 1 и второго 2 входных транзисторов соединены с базой дополнительного транзистора 9, коллектор дополнительного транзистора 9 соединен с первой 4 шиной источника питания, эмиттер дополнительного транзистора 9 связан со входом дополнительного токового зеркала 10 через второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, а выход дополнительного токового зеркала 10 соединен с выходом 7 устройства.The differential amplifier of figure 2 contains the first 1 and second 2 input transistors, the emitters of which are combined and connected through the first 3 current-stabilizing two-terminal devices to the first 4 bus of the power supply, the collector of the second 2 input transistor is connected to the input of the first 5 current mirror, matched with the second 6 bus of the source power supply, the output of the first 5 current mirror is connected to the output 7 of the device and is connected via the
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 3 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники выполнены в виде резисторов с приблизительно одинаковыми сопротивлениями, причем коэффициент передачи по току первого 5 токового зеркала близок к единице, а дополнительного токового зеркала 10 - в два раза меньше.In Fig. 2, in accordance with
Кроме этого на фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, первый 3 и второй 11 токостабилизирующие двухполюсники выполнены в виде резисторов, причем сопротивление первого 3 токостабилизирующего резистора может быть в два раза меньше сопротивления второго 11 токостабилизирующего двухполюсника, а коэффициент передачи по току первого 5 и дополнительного 11 токовых зеркал одинаковы. Токовые зеркала 5 и 10 выполнены на p-n переходах 13, 14, 16 и транзисторах 15 и 17. При этом коэффициент передачи по току токового зеркала 10 получается в 2 раза меньше, чем токового зеркала 5.In addition, in Fig. 2, in accordance with
В соответствии с п.4 формулы изобретения, коллектор первого 1 входного транзистора ДУ фиг.2 связан со второй 6 шиной источника питания через дополнительный p-n переход 12. При этом обеспечивается симметрия статического режима транзисторов 1 и 2 по напряжению коллектор-база, что снижает его погрешности.In accordance with
В качестве двухполюсника 8 могут применяться источники опорного тока на биполярных транзисторах или резисторах.As a bipolar 8, reference current sources on bipolar transistors or resistors can be used.
Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2.Consider the work of the claimed remote control of figure 2.
Статический режим ДУ фиг.2 при uc1=uc2=0 обеспечивается двухполюсниками 3 и 11. Учитывая, что напряжение между входом токового зеркала 16 и второй 6 шиной источников питания близко к напряжению эмиттер-база транзисторов 1, 2, 9 (Uэб=0,7 В) можно найти, что статическое падение напряжения на двухполюсниках (резисторах) 11 и 3 одинаково и при одинаковых сопротивлениях R11=R3 через них текут одинаковые статические токи.The static control mode of FIG. 2 for u c1 = u c2 = 0 is provided by bipolar 3 and 11. Given that the voltage between the input of the
Если на выходы ДУ фиг.2 подается синфазное напряжение uс1=uс2=uс, то это вызывает изменение токов iR3 и iR11 через двухполюсники 3 и 11If the outputs of the remote control of FIG. 2 are supplied with a common-mode voltage u с1 = u с2 = u с , then this causes a change in the currents i R3 and i R11 through the two-
где R3, R11 - сопротивления двухполюсников 3 и 11;where R 3 , R 11 - the resistance of the two-
uΣ- приращение напряжения на эмиттерах входных транзисторов 1 и 2, вызванное изменением uc;u Σ is the voltage increment at the emitters of the
u9≈uэ9≈uc - приращение напряжения на эмиттере транзистора 9.u 9 ≈u e9 ≈u c is the voltage increment at the emitter of transistor 9.
Ток iR3 делится по каналам между эмиттерами транзисторов 1 и 2, далее, передается на выход токового зеркала 5 (iпт5) и создает в двухполюснике нагрузки 8 первую составляющую выходного тока, обусловленную влиянием синфазного сигнала uc The current i R3 is divided along the channels between the emitters of
где α2 - коэффициент передачи по току эмиттера второго 2 входного транзистора;where α 2 is the current transfer coefficient of the emitter of the second 2 input transistor;
Кi5 - коэффициент передачи по току первого токового зеркала 5 (iпт10).To i5 - current transfer coefficient of the first current mirror 5 (i pt10 ).
Вторая составляющая выходного тока (iпт10), обусловленная влиянием uc и направленная в двухполюснике нагрузки 8 противофазно первой составляющей iпт5, создается токовым зеркалом 10The second component of the output current (i pt10 ), due to the influence of u c and directed in the
где Кi10 - коэффициент передачи по току токового зеркала 10.where K i10 is the current transfer coefficient of the
Поэтому результирующий ток нагрузки 8 (i8) и напряжение на двухполюснике нагрузки 8 (i8R8), а также коэффициент передачи синфазного сигнала Ксф Therefore, the resulting load current 8 (i 8 ) and the voltage at the bipolar load 8 (i 8 R 8 ), as well as the common-mode signal transfer coefficient K sf
где R3, R11, R8 - сопротивления двухполюсников 3, 11, 8.where R 3 , R 11 , R 8 - the resistance of the two-
Ксф - коэффициент передачи синфазного сигнала ДУ фиг.2,To sf - the transfer coefficient of the in-phase signal of the remote control of figure 2,
- коэффициент передачи синфазного сигнала ДУ uс=uс1=uc2 фиг.2 при Кi10=0 (т.е. ДУ-прототипа фиг.1), - the transfer coefficient of the in-phase signal of the remote control u c = u c1 =
Nc - коэффициент, характеризующий эффективность компенсацииN c - coefficient characterizing the effectiveness of compensation
синфазной ошибки в ДУ фиг.2.common mode error in the remote control of figure 2.
ПричемMoreover
Таким образом, при выборе R3=R11, Кi10=0,5α2Кi5=0,5 в схеме фиг.2 передача синфазного сигнала uc на выход ДУ уменьшается в Nс>>1 раз. Однако для этого необходимо, чтобы коэффициенты передачи по току токовых зеркал 5 и 6 удовлетворяли следующим условиям: Кi10=0,5 и Ki5=1. Данные теоретические выводы подтверждаются результатами моделирования коэффициента ослабления входных синфазных сигналов ДУ фиг.7:Thus, when choosing R3 = R11, K i10 = 0.5α 2 K i5 = 0.5 in the circuit of FIG. 2, the transmission of the in-phase signal u c to the output of the remote control decreases by N s >> 1 time. However, for this it is necessary that the current transfer coefficients of the
где Ку - коэффициент усиления дифференциального сигнала uвх=uc1-uc2.where K y is the gain of the differential signal u in = u c1 -u c2 .
Температурная стабилизация статического режима заявляемого ДУ может быть выполнена в соответствии с патентом RU 2386205.Temperature stabilization of the static mode of the claimed remote control can be performed in accordance with patent RU 2386205.
Особенность схемы фиг.2 - это двухканальная передача дифференциального сигнала uвх=uc1-uc2 через транзисторы 1, 2 и токовое зеркало 5, а также через транзисторы 1, 9 и токовое зеркало 10. Причем второй канал передачи uвx характеризуется широким диапазоном активной работы, близким к падению напряжения на резисторе 11, а диапазон активной работы параллельного канала на транзисторе 1, 2 - близок к ±50 мВ. Наличие в архитектуре операционных усилителей таких ДУ с широким диапазоном активной работы существенно повышает его быстродействие в режиме большого сигнала. Кроме этого параллельный канал повышает коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.5).A feature of the circuit of FIG. 2 is a two-channel differential signal transmission u in = u c1 -u c2 through
Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемого ДУ в среде Cadance с использованием моделей SiGe интегральных транзисторов (фиг.5, фиг.6). Заявляемый ДУ имеет более высокие значения коэффициента ослабления входных синфазных сигналов (Кос.сф) при сравнительно низкоомном двухполюснике 3. Однако данная схема эффективна и при других вариантах построения цепей стабилизации статического режима.The above findings are confirmed by the simulation results of the proposed remote control in the Cadance environment using SiGe models of integrated transistors (Fig. 5, Fig. 6). The claimed remote control has higher values of the attenuation coefficient of the input common-mode signals (K os.sf ) at a relatively low-resistance bipolar 3. However, this circuit is also effective for other options for constructing stabilization circuits of the static mode.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST
1. Патент US 4264873, fig.3.1. Patent US 4264873, fig. 3.
2. Патент RU 1748611.2. Patent RU 1748611.
3. Патент WO/2002/047257.3. Patent WO / 2002/047257.
4. Патент США 7782139, fig.5.4. U.S. Patent 7,782,139, fig. 5.
5. Патент JP 154-10221, H03F 3/45.5. Patent JP 154-10221,
6. Патентная заявка US 2006/0012432, fig.6.6. Patent application US 2006/0012432, fig.6.
7. Патент США 43664426, fig.2.7. US patent 43664426, fig.2.
8. Патент США 4262261.8. US patent 4262261.
9. Патент ФРГ 2928841, fig.3.9. Germany patent 2928841, fig. 3.
10. Патeнт US 4433302.10. Patent US 4433302.
11. Патент JP 54-102949/98(5)А21.11. Patent JP 54-102949 / 98 (5) A21.
12. Патент US 7605658, fig.4.12. Patent US 7605658, fig. 4.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104898/08A RU2444116C1 (en) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Differential amplifier with low supply voltage |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011104898/08A RU2444116C1 (en) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Differential amplifier with low supply voltage |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2444116C1 true RU2444116C1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852442
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011104898/08A RU2444116C1 (en) | 2011-02-09 | 2011-02-09 | Differential amplifier with low supply voltage |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2444116C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4264873A (en) * | 1978-07-19 | 1981-04-28 | Hitachi, Ltd. | Differential amplification circuit |
US4284958A (en) * | 1979-11-13 | 1981-08-18 | Rca Corporation | Folded-cascode amplifier arrangement with current mirror amplifier |
RU2310268C1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-11-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Low-voltage powered cascade differential amplifier |
RU2384934C2 (en) * | 2008-03-12 | 2010-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with low power supply voltage |
-
2011
- 2011-02-09 RU RU2011104898/08A patent/RU2444116C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4264873A (en) * | 1978-07-19 | 1981-04-28 | Hitachi, Ltd. | Differential amplification circuit |
US4284958A (en) * | 1979-11-13 | 1981-08-18 | Rca Corporation | Folded-cascode amplifier arrangement with current mirror amplifier |
RU2310268C1 (en) * | 2006-04-05 | 2007-11-10 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Low-voltage powered cascade differential amplifier |
RU2384934C2 (en) * | 2008-03-12 | 2010-03-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with low power supply voltage |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3792728B1 (en) | Current mirror arrangements with double-base current circulators | |
CN109327198B (en) | Multi-feedback loop instrument folding type gate-cathode amplifier | |
RU2354041C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2444116C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2421893C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2475941C1 (en) | Differential amplifier with complementary input cascade | |
RU2419196C1 (en) | Broad-band differential amplifier | |
RU2433523C1 (en) | Precision differential operational amplifier | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2687161C1 (en) | Buffer amplifier for operation at low temperatures | |
RU2321158C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2393628C1 (en) | Differential amplifier with increased input resistance | |
RU2396698C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2383099C2 (en) | Differential amplifier with low-resistance inputs | |
RU2420863C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2444117C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
KR101360648B1 (en) | Instrumentation amplifier using second generation current-conveyer | |
RU2613842C1 (en) | Differential operating amplifier with low power supply voltage | |
RU2421894C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2394360C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased input resistance |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130210 |