RU2468500C1 - Каскодный дифференциальный усилитель - Google Patents
Каскодный дифференциальный усилитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2468500C1 RU2468500C1 RU2011141485/08A RU2011141485A RU2468500C1 RU 2468500 C1 RU2468500 C1 RU 2468500C1 RU 2011141485/08 A RU2011141485/08 A RU 2011141485/08A RU 2011141485 A RU2011141485 A RU 2011141485A RU 2468500 C1 RU2468500 C1 RU 2468500C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- current
- input
- emitter
- power supply
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области устройств усиления аналоговых сигналов. Техническим результатом является повышение коэффициента усиления по напряжению (К). Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания (7), коллектор первого (5) выходного транзистора связан с выходом устройства (8) и первым выводом первого (9) резистора нагрузки, коллектор второго (6) выходного транзистора связан с выходом устройства (10) и первым выводом второго (11) резистора нагрузки, вторую (12) шину источника питания. В схему введены первое (13) и второе (14) токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого (13) токового зеркала соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго (14) токового зеркала связан с эмиттером второго (6) выходного транзистора, токовые выходы первого (13) и второго (14) токовых зеркал соединены с источником питания (15), второй вывод первого (9) резистора нагрузки через первый (16) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через первый (17) корректирующий конденсатор соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом первого (13) токового зеркала, второй вывод второго (11) резистора нагрузки через второй (18) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через второй (19) корректирующий конденсатор соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом второго (14) токового зеркала. 5 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, фазорасщепителей и т.п. [1-14]. Коэффициент усиления по напряжению (Kу) таких ДУ зависит, прежде всего, от сопротивлений резисторов в коллекторной цепи выходных транзисторов и статического тока общей эмиттерной цепи входного каскада.
При использовании SiGe технологических процессов напряжение питания ДУ, как правило, 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 №5.568.092 fig.1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ фиг.1, который также присутствует в патентах [1-14], состоит в том, что при использовании в качестве первого 9 и второго 11 резисторов его коллекторной нагрузки с сопротивлением 1÷2 кОм его коэффициент усиления по напряжению (Kу), например, для выхода 8 (Вых.1) получается небольшим:
где R9 - сопротивление резистора коллекторной нагрузки 9;
rэi - сопротивление эмиттерного перехода i-го транзистора входного дифференциального каскада 1.
Например, при R9=1 кОм и rэ1=rэ2=25 Ом, коэффициент усиления Kу ДУ-прототипа Kу.прот≈20. В большинстве случаев этого недостаточно.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению (Kу) при использовании сравнительно низкоомных первого 9 и второго 11 резисторов коллекторной нагрузки (например, R9=R11=1÷2 кОм) в условиях известных ограничений SiGe-технологии на напряжения питания ДУ (±2,0÷2,5В).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.
На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.
Схема заявляемого устройства, соответствующего формуле изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования Cadence на моделях SiGe интегральных транзисторов (техпроцесс SG25H2).
На фиг.4 приведены частотные зависимости коэффициента усиления по напряжению сравниваемых ДУ фиг.1 и фиг.2. Данные графики показывают, что, несмотря на применение низкоомной коллекторной нагрузки (R0=R6=150 Ом), коэффициент усиления по напряжению ДУ (фиг.3, фиг.2) повышается в диапазоне рабочих частот на 20 дБ, т.е. более чем на порядок в сравнении с Kу ДУ-прототипа. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках перспективных SiGe технологических процессов.
На фиг.5 показаны сравнительные графики Kу=φ(f) ДУ фиг.3:
- без повторителей тока 13 и 14 (нижняя кривая);
- с повторителями тока 13 и 14, но при C17=C19=Cvar=0 (средняя кривая прототип Сvar=0);
- при реализации ДУ в соответствии с фиг.3 при Сvar=200 пф-50 нф.
Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 и второй 6 выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания 7, коллектор первого 5 выходного транзистора связан с выходом устройства 8 и первым выводом первого 9 резистора нагрузки, коллектор второго 6 выходного транзистора связан с выходом устройства 10 и первым выводом второго 11 резистора нагрузки, вторую 12 шину источника питания. В схему введены первое 13 и второе 14 токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого 13 токового зеркала соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго 14 токового зеркала связан с эмиттером второго 6 выходного транзистора, токовые выходы первого 13 и второго 14 токовых зеркал соединены с источником питания 15, второй вывод первого 9 резистора нагрузки через первый 16 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через первый 17 корректирующий конденсатор соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом первого 13 токового зеркала, второй вывод второго 11 резистора нагрузки через второй 18 дополнительный резистор связан со второй 12 шиной источника питания и через второй 19 корректирующий конденсатор соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и входом второго 14 токового зеркала.
В качестве первого 13 и второго 14 токовых зеркал могут применяться классические решения (см., например, фиг.3). На чертеже фиг.2 входной каскад 1 реализован на транзисторах 20 и 21 и двухполюснике 22 с током I22=2I0, равным, например, 1 мА.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2.
Статический режим транзисторов ДУ фиг.2 устанавливается двухполюсником 22 и напряжением Е7 на базах транзисторов 5 и 6. Если пренебречь выходным сопротивлением транзисторов 20 и 21, то коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 по выходу Вых.1 в диапазоне рабочих частот определяется по формуле:
где Ki13.13≈2 - коэффициент передачи по току токового зеркала 13 со входа к общему эмиттерному выходу;
Rн.экв.5 - эквивалентное сопротивление коллекторной нагрузки транзистора 5 в узле 8 («Вых.1»);
rэ20=rэ21 - сопротивления эмиттерных переходов входных транзисторов 20 и 21 входного каскада 1.
Причем Кн.экв.5 можно найти из выражения:
где
α5≈1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5.
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению заявляемого ДУ фиг.2:
где Kу.прот - коэффициент усиления ДУ-прототипа фиг.1 (1).
Поэтому выигрыш по Ку в схеме фиг.2
Численные значения Kу (4) определяются знаменателем данной формулы, который зависит прежде всего от коэффициента усиления по току Ki13.13 токового зеркала 13 и коэффициента деления тока iR9 между конденсатором 17 и резистором 16 (Kd1<1). Например, для получения десятикратного выигрыша по усилению (Nу=10) необходимо обеспечить (за счет соответствующего выбора на этапе изготовления площадей эмиттерных переходов транзисторов Q6 и Q3 (Q7 и Q2) токов зеркал 13 и 14 (фиг.3)) равенство:
Если считать, что R16≈R9, α5=0,99, то из (6) следует, что Кi13.3 должен быть близок к двум единицам, что обеспечивается топологией транзисторов, образующих токовые зеркала 13 и 14. При стабильных значениях R16, R19, α5 можно реализовать достаточно стабильные значения Kу в диапазоне изменения внешних факторов (температура, радиация и т.п.).
В практических схемах (фиг.3) выигрыш по Kу получается на уровне - на 24 дБ (фиг.4, фиг.5).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет в диапазоне рабочих частот 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. А.с. СССР №427451
Claims (1)
- Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (4) шиной источника питания, первый (5) и второй (6) выходные транзисторы, базы которых подключены к вспомогательному источнику питания (7), коллектор первого (5) выходного транзистора связан с выходом устройства (8) и первым выводом первого (9) резистора нагрузки, коллектор второго (6) выходного транзистора связан с выходом устройства (10) и первым выводом второго (11) резистора нагрузки, вторую (12) шину источника питания, отличающийся тем, что в схему введены первое (13) и второе (14) токовые зеркала, общий эмиттерный выход первого (13) токового зеркала соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора, общий эмиттерный выход второго (14) токового зеркала связан с эмиттером второго (6) выходного транзистора, токовые выходы первого (13) и второго (14) токовых зеркал соединены с источником питания (15), второй вывод первого (9) резистора нагрузки через первый (16) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через первый (17) корректирующий конденсатор соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом первого (13) токового зеркала, второй вывод второго (11) резистора нагрузки через второй (18) дополнительный резистор связан со второй (12) шиной источника питания и через второй (19) корректирующий конденсатор соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и входом второго (14) токового зеркала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011141485/08A RU2468500C1 (ru) | 2011-10-12 | 2011-10-12 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011141485/08A RU2468500C1 (ru) | 2011-10-12 | 2011-10-12 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2468500C1 true RU2468500C1 (ru) | 2012-11-27 |
Family
ID=49255026
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011141485/08A RU2468500C1 (ru) | 2011-10-12 | 2011-10-12 | Каскодный дифференциальный усилитель |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2468500C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1124427A1 (ru) * | 1983-07-29 | 1984-11-15 | Научно-Исследовательский Институт Электронной Интроскопии При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М.Кирова | Дифференциальный усилитель |
US5568092A (en) * | 1994-05-24 | 1996-10-22 | Nec Corporation | Attenuated feedback type differential amplifier |
US7098736B2 (en) * | 2003-01-16 | 2006-08-29 | Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. | Amplifier circuit |
US7538614B1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-26 | Fairchild Semiconductor Corporation | Differential amplifier with independent output common mode adjustment |
RU2391768C2 (ru) * | 2008-09-02 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
RU2402151C1 (ru) * | 2009-05-20 | 2010-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
-
2011
- 2011-10-12 RU RU2011141485/08A patent/RU2468500C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1124427A1 (ru) * | 1983-07-29 | 1984-11-15 | Научно-Исследовательский Институт Электронной Интроскопии При Томском Ордена Октябрьской Революции И Ордена Трудового Красного Знамени Политехническом Институте Им.С.М.Кирова | Дифференциальный усилитель |
US5568092A (en) * | 1994-05-24 | 1996-10-22 | Nec Corporation | Attenuated feedback type differential amplifier |
US7098736B2 (en) * | 2003-01-16 | 2006-08-29 | Fuji Electric Device Technology Co., Ltd. | Amplifier circuit |
US7538614B1 (en) * | 2007-11-09 | 2009-05-26 | Fairchild Semiconductor Corporation | Differential amplifier with independent output common mode adjustment |
RU2391768C2 (ru) * | 2008-09-02 | 2010-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Быстродействующий операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода |
RU2402151C1 (ru) * | 2009-05-20 | 2010-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Каскодный дифференциальный усилитель |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2419197C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
RU2364020C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с отрицательной обратной связью по синфазному сигналу | |
RU2428786C1 (ru) | Каскодный усилитель | |
RU2427071C1 (ru) | Широкополосный усилитель | |
CN111665898B (zh) | 一种基于GaAs HBT工艺的功放芯片偏置电路 | |
RU2416146C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления | |
RU2468500C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
RU2421888C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
RU2421893C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
RU2411636C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
RU2475941C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом | |
RU2432668C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
RU2396698C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
RU2441316C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с малым напряжением питания | |
RU2475942C1 (ru) | Широкополосный дифференциальный усилитель | |
RU2432667C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
RU2422981C1 (ru) | Дифференциальный усилитель переменного тока | |
TW580788B (en) | Differential amplifier | |
RU2421896C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
RU2444114C1 (ru) | Операционный усилитель с низкоомной нагрузкой | |
RU2421881C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
RU2604684C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель на основе "перегнутого" каскода | |
RU2420863C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
RU2475946C1 (ru) | Усилитель переменного тока с противофазными токовыми выходами |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20131013 |