RU2475942C1 - Широкополосный дифференциальный усилитель - Google Patents
Широкополосный дифференциальный усилитель Download PDFInfo
- Publication number
- RU2475942C1 RU2475942C1 RU2012103439/08A RU2012103439A RU2475942C1 RU 2475942 C1 RU2475942 C1 RU 2475942C1 RU 2012103439/08 A RU2012103439/08 A RU 2012103439/08A RU 2012103439 A RU2012103439 A RU 2012103439A RU 2475942 C1 RU2475942 C1 RU 2475942C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- output transistor
- collector
- current
- emitter
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является обеспечение высокой стабильности статического режима дифференциального усилителя, повышение значения его коэффициента усиления по напряжению и верхней граничной частоты. Широкополосный дифференциальный усилитель содержит первый (1) входной каскад, первый (5) выходной транзистор, второй (8) выходной транзистор, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания. Коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор. 7 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.
Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе «перегнутого» каскода с парафазным (дифференциальным) выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11].
Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.
Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 4.600.893, содержащий первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не работоспособен из-за проблем со статическим режимом при высоких значениях коэффициента усиления по напряжению (Ку), зависящего от сопротивлений первого 10 (r10) и второго 11 (r11) токостабилизирующих двухполюсников, которые могут (для увеличения Ку) выполняться в виде источников тока. Кроме этого, при высоких r10, r11 известный ДУ имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени:
где СΣ5, CΣ8 - эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 5, 10 и 8, 11. Если СΣ5=СΣ8≤0,5 пФ, а r10≈r11≈106 Ом, то τ5=τ8=510-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте 
устройства.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ, повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению Ку и верхней граничной частоты fв (по уровню - 3 дБ).
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18. Кроме того, в заявляемом ДУ первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.
На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа с выходным каскадом на p-n-p транзисторах.
На чертеже фиг.2 показан ДУ фиг.1 с выходным каскадом на n-p-n транзисторах.
На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферных усилителей 15 и 13, а также неинвертирующего каскада 18.
На чертеже фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».
На чертеже фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5 при разных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С2 (20) и С3 (19).
На чертеже фиг.7 показана зависимость выходных напряжений ДУ при входном синусоидном сигнале Uin1=1 мВ.
Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18, первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.
В схемах фиг.3, фиг.4 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 21 и 22 и источнике опорного тока 23. В дифференциальном усилителе фиг.4, соответствующем чертежу фиг.3, буферный усилитель 13 реализован на транзисторе 25 и источнике тока 33, а буферный усилитель 15 содержит соответственно транзистор 24 и источник опорного тока 32. Кроме этого неинвертирующий каскад 18 реализован здесь на транзисторе 26, резисторах 27, 29 и p-n переходе 28. Конденсаторы 30 и 31 моделируют эквивалентные емкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены емкостями на подложку элементов 5, 10, 8, 11, а также емкостями коллектор-база транзисторов 5, 25 и 8, 24.
Рассмотрим работу ДУ фиг.3.
Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.3 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 10, 11 и 23, причем коллекторные (Iкi) токи транзисторов схемы:
где I0 - заданное значение опорного тока, например 1 мА.
Статические напряжения на выходах ДУ 14 и 12 при нулевом входном сигнале (uвх=0) близко к нулю, что обеспечивается неинвертирующим каскадом 18:
При этом синфазная нестабильность или технологические изменения токов I10, I11 передаются на выходы 12 и 14 и вызывают «подстройку» коллекторных токов транзисторов 5 и 8, что в конечном итоге стабилизирует статический режим схемы.
Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.3 не зависит от дифференциальных сопротивлений (ri=r10=r11) токостабилизирующих двухполюсников 10, 11, которые для повышения Ку до уровня 60÷70 дБ (фиг.6) могут выполняться в виде источников тока. В ДУ-прототипе фиг.1 такое исполнение элементов 10, 11 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения ri=r10=r11 позволяют получить в схеме фиг.3 повышенные значения Ку.
Замечательная особенность заявляемого ДУ состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов 19 и 20 более чем на порядок расширяется диапазон рабочих частот ДУ (фиг.6) - верхняя граничная частота fв увеличивается от 4,3 мГц до 48,3 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией эквивалентной емкости на подложку С30 (С31) емкостью корректирующего конденсатора 20 (19). При этом эффективные емкости С30.эф, С31.эф уменьшаются до величины:
где α8≈α5≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 8 и 5.
В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 8 и 5) уменьшаются, что повышает более чем на порядок верхнюю граничную частоту fв ДУ (фиг.6).
Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают (фиг.6, фиг.7), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.3) реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US №4.406.990, fig.4
2. Патент US №4.600.893
3. Патент US №5.557.238
4. Патент US №5.734.296, fig.3
5. Патент US №5.420.540
6. Патент US №3.879.689, fig.3
7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - стр.87, рис.5.20.
8. Патентная заявка US №2005/0206454, fig.4
9. Патент US №6.710.654
10. Патент US №6.300.831
11. Патент US №5.422.600
Claims (1)
- Широкополосный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) входной каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом и через первый (6) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, второй (8) выходной транзистор, база которого подключена к базе первого (5) выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым (2) токовым выходом и через второй (9) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103439/08A RU2475942C1 (ru) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | Широкополосный дифференциальный усилитель |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012103439/08A RU2475942C1 (ru) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | Широкополосный дифференциальный усилитель |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2475942C1 true RU2475942C1 (ru) | 2013-02-20 |
Family
ID=49121181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012103439/08A RU2475942C1 (ru) | 2012-02-01 | 2012-02-01 | Широкополосный дифференциальный усилитель |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2475942C1 (ru) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2527202C1 (ru) * | 2013-04-16 | 2014-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель мощности |
| RU2534972C1 (ru) * | 2013-04-12 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов |
| RU2802051C1 (ru) * | 2023-04-26 | 2023-08-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий выходной каскад операционного усилителя |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4A (en) * | 1836-08-10 | Stock | ||
| US4600893A (en) * | 1983-10-24 | 1986-07-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Differential amplifier with improved dynamic range |
| EP0244973A2 (en) * | 1986-04-23 | 1987-11-11 | Texas Instruments Incorporated | Broadband differential amplifier |
| SU1584075A1 (ru) * | 1987-10-05 | 1990-08-07 | Специальное Конструкторское Технологическое Бюро "Модуль" Винницкого Политехнического Института | Широкополосный усилитель |
| RU2307454C1 (ru) * | 2006-04-10 | 2007-09-27 | Сергей Всеволодович Шпак | Усилитель с высоким кпд |
-
2012
- 2012-02-01 RU RU2012103439/08A patent/RU2475942C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4A (en) * | 1836-08-10 | Stock | ||
| US4600893A (en) * | 1983-10-24 | 1986-07-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Differential amplifier with improved dynamic range |
| EP0244973A2 (en) * | 1986-04-23 | 1987-11-11 | Texas Instruments Incorporated | Broadband differential amplifier |
| SU1584075A1 (ru) * | 1987-10-05 | 1990-08-07 | Специальное Конструкторское Технологическое Бюро "Модуль" Винницкого Политехнического Института | Широкополосный усилитель |
| RU2307454C1 (ru) * | 2006-04-10 | 2007-09-27 | Сергей Всеволодович Шпак | Усилитель с высоким кпд |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2534972C1 (ru) * | 2013-04-12 | 2014-12-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный неинвертирующий усилитель с малым уровнем нелинейных искажений и шумов |
| RU2527202C1 (ru) * | 2013-04-16 | 2014-08-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Широкополосный усилитель мощности |
| RU2802049C1 (ru) * | 2023-03-24 | 2023-08-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий дифференциальный усилитель |
| RU2802051C1 (ru) * | 2023-04-26 | 2023-08-22 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) | Быстродействующий выходной каскад операционного усилителя |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2419197C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по напряжению | |
| RU2393627C1 (ru) | Широкополосный операционный усилитель с дифференциальным выходом | |
| RU2428786C1 (ru) | Каскодный усилитель | |
| RU2475942C1 (ru) | Широкополосный дифференциальный усилитель | |
| RU2536672C1 (ru) | Составной транзистор с малой выходной емкостью | |
| RU2460206C1 (ru) | Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2475941C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с комплементарным входным каскадом | |
| RU2421888C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2321156C1 (ru) | Широкополосный усилитель | |
| RU2468502C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2286005C2 (ru) | Широкополосный усилитель | |
| RU2446554C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2419187C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с повышенной стабильностью нулевого уровня | |
| RU2422981C1 (ru) | Дифференциальный усилитель переменного тока | |
| RU2439780C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2479113C1 (ru) | Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом | |
| RU2432666C1 (ru) | Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания | |
| RU2421881C1 (ru) | Дифференциальный усилитель | |
| RU2411636C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель с малым напряжением смещения нуля | |
| RU2459348C1 (ru) | Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления | |
| RU2320078C1 (ru) | Комплементарный дифференциальный усилитель | |
| RU2589323C1 (ru) | Биполярно-полевой операционный усилитель | |
| RU2568316C1 (ru) | Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном | |
| RU2469465C1 (ru) | Каскодный дифференциальный усилитель | |
| RU2668985C1 (ru) | Быстродействующий буферный усилитель |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140202 |