RU2455756C1 - Cascode differential amplifier with increased amplification ratio - Google Patents
Cascode differential amplifier with increased amplification ratio Download PDFInfo
- Publication number
- RU2455756C1 RU2455756C1 RU2011134147/08A RU2011134147A RU2455756C1 RU 2455756 C1 RU2455756 C1 RU 2455756C1 RU 2011134147/08 A RU2011134147/08 A RU 2011134147/08A RU 2011134147 A RU2011134147 A RU 2011134147A RU 2455756 C1 RU2455756 C1 RU 2455756C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- output
- differential
- cascode
- auxiliary
- Prior art date
Links
Images
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, SiGe-операционных усилителях, СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).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 of various functional purposes (for example, SiGe-operational amplifiers, microwave amplifiers, comparators, continuous voltage stabilizers, etc.).
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные усилители (КДУ) с двумя резисторами в коллекторной цепи выходных транзисторов [1-10]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых (аналогово-цифровых) устройств и является базовой как для традиционных, так и для новых технологий.In modern microelectronics, classical cascode differential amplifiers (KDUs) with two resistors in the collector circuit of output transistors are used [1-10]. This architecture is the basis of a wide class of analog (analog-digital) devices and is the base for both traditional and new technologies.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является каскодный дифференциальный усилитель по патенту фирмы Texas Instruments US 5.461.342, fig.1.The closest in technical essence to the claimed device is the cascode differential amplifier according to the patent of Texas Instruments US 5.461.342, fig.1.
Существенный недостаток известного КДУ, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-10], 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. Поэтому для повышения Ку иногда применяются так называемые «динамические нагрузки» (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения своего линейного режима работы «потери» статического напряжения UДН=0,8÷1,6 В между шиной источника питания и выходом ДН. Причем численные значения UДН равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:A significant drawback of the well-known KDU, the architecture of which is also present in other amplification stages [1-10], is that under restrictions on the supply voltage (E p ) characteristic of SiGe technological processes (E p ≤2.0 ÷ 2.5 C), its voltage gain (K y ) is small (K ymax = 10 ÷ 20). This is primarily due to restrictions on the resistances of the collector load resistors, which, due to small E p, cannot be selected as high resistance. Therefore, to increase K y, the so-called "dynamic loads" (DN) are sometimes used, for example, on bipolar transistors, which require a "loss" of static voltage U DN = 0.8 ÷ 1.6 V between the source bus to ensure their linear operation power and the output of the day. Moreover, the numerical values of U ДН are equal to 0.8 V for the simplest dynamic loads, which, unfortunately, have a low output impedance:
где UЭрли - напряжение Эрли выходного p-n-p транзистора ДН;where U Earley - voltage Earley output pnp transistor DN;
Iэ=I0 - статический ток эмиттера p-n-p выходного транзистора ДН.I e = I 0 is the static current of the emitter pnp of the output transistor DN.
Для интегральных транзисторов UЭрли=20÷30 В. Следовательно, при I0=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить высокие значения Кy. Более высокие выходные сопротивления Rдн реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах токовых зеркал. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение Uдн между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Uэб≥1,6 В. При низковольтном питании это не приемлемо. Кроме того, не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование p-n-p транзисторов. Для других, например, радиационно-стойких технологий (НПО «Интеграл» г.Минск), применение p-n-p транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.For integrated transistors U Earley = 20 ÷ 30 V. Therefore, when I 0 = 1 mA, the use of classical dynamic loads does not allow to obtain high values of K y . Higher output resistances R days are realized in Wilson current mirrors or cascode current mirror circuits. However, they only work if the static voltage U bottom between the terminals of such a dynamic load is more than 2U eb ≥1.6 V. With a low-voltage power supply this is not acceptable. In addition, not all technical processes (for example, SGB25VD, introduced in Russia) allow the use of pnp transistors. For others, for example, radiation-resistant technologies (NPO Integral, Minsk), the use of pnp transistors is not recommended in conditions of radiation exposure to a microelectronic product.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения КДУ не эффективны.Thus, at low supply voltages, and especially in those cases where it is necessary to obtain more or less significant amplitudes of the output voltage, the well-known circuit solutions of the CDD are not effective.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению КДУ при малом напряжении питания.The main objective of the invention is to increase the limit values of the gain in voltage KDU at low voltage.
Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе (фиг.1), содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - база первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.The problem is solved in that in the cascode differential amplifier (Fig. 1), containing the input
На чертеже фиг.1 показана схема КДУ-прототипа.The drawing of figure 1 shows a diagram of the CDA prototype.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to
На чертеже фиг.3 показана схема КДУ в соответствии с п.2 формулы изобретения, в которой выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на p-n-p транзисторах 24, 25 и токовом зеркале 27.The drawing of figure 3 shows a diagram of the CDA in accordance with
На чертеже фиг.4 показана схема КДУ с парафазным выходом, в котором выходной дифференциальный каскод 4 выполнен на р-n-р транзисторах 33, 34 и резисторах коллекторной нагрузки 35, 36.The drawing of figure 4 shows a diagram of a CDA with a paraphase output, in which the output
График фиг.5 характеризует частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению (Ку) КДУ (фиг.2 и фиг.1), полученные в среде компьютерного моделирования РSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП HПП «Пульсар» при R17=R18=1,5 кОм, Ес=1,5 В, R8=R9=500 Ом, I14=I11=2 мА, . Все транзисторы - TN15S.The graph of Fig. 5 characterizes the frequency dependences of the voltage gain (K y ) of the CDD (Fig. 2 and Fig. 1) obtained in the computer simulation environment of RSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar at R 17 = R 18 = 1, 5 kOhm, E c = 1.5 V, R 8 = R 9 = 500 Ohm, I 14 = I 11 = 2 mA, . All transistors are TN15S.
Каскодный дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления (фиг.2) содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной дифференциальный каскод 4, первый 5 токовый вход которого связан с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через первый 6 вспомогательный двухполюсник, а второй 7 токовый вход выходного дифференциального каскода 4 связан со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 через второй 8 вспомогательный двухполюсник, первый 9 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан со вторым 7 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, второй 10 вспомогательный транзистор, коллектор которого связан с первым 5 токовым входом выходного дифференциального каскода 4, первый 11 токостабилизирующий двухполюсник, связанный с эмиттерами первого 9 и второго 10 вспомогательных транзисторов. База первого 9 вспомогательного транзистора соединена с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а база второго 10 вспомогательного транзистора соединена со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1.The cascode differential amplifier with a higher gain (Fig. 2) contains an input
На чертеже фиг.2 входной дифференциальный каскад 1 реализован на транзисторах 12 и 13, статический режим которых устанавливается источником тока 14. Выходной дифференциальный каскод 4 реализован на транзисторах 13 и 14, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения 19 (Ec). Коллекторная нагрузка в каскоде 4 реализована на резисторах 17 и 18, связанных с шиной положительного источника питания 20. Эмиттерные цепи транзисторов 12, 13, 9, 10 связаны с шиной 21 источника отрицательного напряжения питания.In the drawing of FIG. 2, the input
На чертеже фиг.3 выходной дифференциальный каскод 4 реализован на основе источников опорного тока 22 и 23, транзисторах 24 и 26, статический режим которых по цепи базы, устанавливается источником напряжения 26 (Ес). Нагрузкой каскода является токовое зеркало 27, выход которого связан с буферным усилителем 28.In the drawing of figure 3, the output
На чертеже фиг.4 выходной дифференциальный каскод 4 с парафазным выходом реализован на основе источников опорного тока 31 и 32, транзисторах 33 и 34, статический режим которых по цепи базы устанавливается источником напряжения Ес. Нагрузкой каскода 4 являются резисторы 35 и 36.In the drawing of figure 4, the output
В соответствии с п.2 формулы изобретения в схеме фиг.3 параллельно первому 6 и второму 8 вспомогательным двухполюсникам включены соответственно первый 29 и второй 30 элементы частотной коррекции, например конденсаторы.In accordance with
Рассмотрим работу ДУ (фиг.2) на переменном токе.Consider the operation of the remote control (figure 2) on alternating current.
Положительное изменение входного напряжения (uвх) приводит к изменению эмиттерных (iэ) и коллекторных (iк) токов транзисторов 12 и 13:A positive change in the input voltage (u I ) leads to a change in the emitter (i e ) and collector (i k ) currents of the
где - сопротивление эмиттерного перехода 1-го транзистора при статическом эмиттерном токе Iэi=I0;Where - resistance of the emitter junction of the 1st transistor with a static emitter current I ei = I 0 ;
φт≈25 мВ - температурный потенциал.φ t ≈25 mV - temperature potential.
Поэтому напряжение U23 между базами транзисторов 9 и 10:Therefore, the voltage U 23 between the bases of
где R8=R6 - сопротивления двухполюсников 6 и 8.where R 8 = R 6 - the resistance of the two-
Напряжение u23 вызывает изменение коллекторных токов транзисторов 9 и 10:Voltage u 23 causes a change in the collector currents of
где для рассматриваемого случая .where for the case in question .
Как следствие эмиттерные и коллекторные токи транзисторов 15 и 16:As a result, the emitter and collector currents of transistors 15 and 16:
Для тока iк16 и выходного напряжения uвых.2 можно записать следующие уравнения:For current i k16 and output voltage u output 2 , the following equations can be written:
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ (фиг.2) в N-раз больше, чем ДУ-прототипа:Thus, the voltage gain of the proposed remote control (figure 2) is N-times greater than the remote control prototype:
Данные теоретические выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5), которые показывают, что предлагаемый усилитель имеет более чем в 10 раз лучшее усиление при сравнительно низкоомных резисторах R17=R18=1,5 кОм, R6=R8=500 Ом.These theoretical conclusions are confirmed by the results of computer simulation (Fig. 5), which show that the proposed amplifier has more than 10 times the best gain with relatively low resistance resistors R17 = R18 = 1.5 kOhm, R6 = R8 = 500 Ohm.
Таким образом, в предлагаемом КДУ (фиг.3) при низкоомных резисторах коллекторной нагрузки 17 и 18 реализуются более высокие значения коэффициента усиления по напряжению.Thus, in the proposed KDU (figure 3) with low-impedance collector load resistors 17 and 18, higher values of the voltage gain are realized.
Заявляемая схема особенно перспективна для использования в микроэлектронных SiGe изделиях СВЧ устройств.The inventive scheme is particularly promising for use in microelectronic SiGe products of microwave devices.
Источники информацииInformation sources
1. Патент США №5.461.342, fig.1.1. US patent No. 5.461.342, fig. 1.
2. Патент США №7.236.011, fig.4.2. US Patent No. 7.236.011, fig. 4.
3. Патент UK №1.520.085, кл. НЗТ, fig.2.3. UK patent No. 1,520.085, cl. NRT, fig. 2.
4. Патент США №3.482.177.4. US Patent No. 3,482,177.
5. Патент DЕ №2.418.455.5. Patent DE No. 2.418.455.
6. Патент RU №2.282.303, fig.2.6. Patent RU No. 2.282.303, fig.2.
7. Патент США №5.568.092, fig.1.7. US Patent No. 5.568.092, fig. 1.
8. Патент США №5.440.271, fig.1.8. US Patent No. 5,440.271, fig. 1.
9. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.142, рис.6.64.9. Yu.S. Ezhkov. Handbook of amplifier circuitry. Ed. 2nd. M .: Radiosoft, 2002. - P.142, Fig.6.64.
10. Ю.С.Ежков. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - С.227, рис.8.51.10. Yu.S. Ezhkov. Handbook of amplifier circuitry. Ed. 2nd. M .: Radiosoft, 2002.- P.227, Fig. 8.51.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134147/08A RU2455756C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011134147/08A RU2455756C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2455756C1 true RU2455756C1 (en) | 2012-07-10 |
Family
ID=46848738
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011134147/08A RU2455756C1 (en) | 2011-08-12 | 2011-08-12 | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2455756C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1164865A1 (en) * | 1980-06-18 | 1985-06-30 | Предприятие П/Я В-8751 | Cascode differential amplifier |
US6924701B1 (en) * | 2002-09-03 | 2005-08-02 | Ikanos Communications, Inc. | Method and apparatus for compensating an amplifier |
RU2331972C1 (en) * | 2007-05-14 | 2008-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier with high voltage amplification factor |
-
2011
- 2011-08-12 RU RU2011134147/08A patent/RU2455756C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1164865A1 (en) * | 1980-06-18 | 1985-06-30 | Предприятие П/Я В-8751 | Cascode differential amplifier |
US6924701B1 (en) * | 2002-09-03 | 2005-08-02 | Ikanos Communications, Inc. | Method and apparatus for compensating an amplifier |
RU2331972C1 (en) * | 2007-05-14 | 2008-08-20 | ГОУ ВПО "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ЮРГУЭС) | Differential amplifier with high voltage amplification factor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2455756C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2469465C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2321159C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2446554C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2439778C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2441316C1 (en) | Differential amplifier with low supply voltage | |
RU2432667C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2432665C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2411636C1 (en) | Cascode differential amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2595926C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
RU2461957C1 (en) | Differential stage with increased voltage gain | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2421895C1 (en) | Differential amplifier | |
RU2401509C1 (en) | Buffer amplifier | |
RU2449464C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2412540C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2394362C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2416154C1 (en) | Two-cascade differential amplifier with low supply voltage | |
RU2419192C1 (en) | Differential amplifier with increased amplification factor | |
RU2402156C1 (en) | Differential operational amplifier with low voltage of zero shift |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130813 |