RU2481698C1

RU2481698C1 - Differential operational amplifier with paraphase output

Info

Publication number: RU2481698C1
Application number: RU2012108697A
Authority: RU
Inventors: Николай Николаевич Прокопенко; Сергей Сергеевич Белич; Илья Викторович Пахомов
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-05-10

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: in the amplifier, the circuit includes an additional p-n junction (17) between the emitter of the transistor of the reference current source (5) and the common bus (18) of the first (7) and second (10) power supplies, wherein the first (14) auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source (5) through a first (19) feedback resistor, and the second (16) auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source (5) through a second (20) feedback resistor.

EFFECT: high stability of output static in-phase voltage of the differential amplifier.

2 cl, 6 dwg

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, мостовых усилителях мощности, драйверах дифференциальных линий связи, фильтрах, компараторах и т.п.).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, bridge power amplifiers, differential communication line drivers, filters, comparators, etc.).

Известны схемы классических двухкаскадных дифференциальных операционных усилителей (ДУ) с парафазным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-39].There are known schemes of classical two-stage differential operational amplifiers (DU) with paraphase output, which became the basis of many serial analog microcircuits [1-39].

ДУ данного класса широко применяются в структуре СВЧ-устройств [1, 2, 3], реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, драйверов дифференциальных линий связи между СФ-блоками A/d и D/a-классов и т.п. В значительной степени этому способствует простота установления статического режима ДУ при низковольтном питании (1,2÷2,1)В, которое характерно для SiGe транзисторов с предельными частотами 120÷160 ГГц.Remote controls of this class are widely used in the structure of microwave devices [1, 2, 3], implemented on the basis of SiGe technologies. This is due to the possibility of building on their basis active RC filters of the GHz range for modern and promising communication systems, drivers of differential communication lines between SF blocks A / d and D / a-classes, etc. To a large extent, this is facilitated by the simplicity of establishing the static mode of the remote control at low-voltage power supply (1.2–2.1) V, which is typical for SiGe transistors with limiting frequencies of 120–160 GHz.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте фирмы Mitsubishi US 5.367.371 fig.2, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен с объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания.The closest prototype (figure 1) of the claimed device is a differential amplifier described in the patent of Mitsubishi company US 5.367.371 fig.2, fig.3, containing the first 1 and second 2 input transistors, the gates (bases) of which are connected to the corresponding inputs 3 and 4 devices, the reference current source transistor 5, the collector of which is connected to the combined sources (emitters) of the first 1 and second 2 input transistors, and the emitter is connected through the first 6 current-stabilizing two-terminal network to the first 7 power supply, the first 8 output transistor, the base to of which is connected to the drain (collector) of the first 1 input transistor and through the first 9 the two-pole collector load is connected to the second 10 power supply, the second 11 output transistor, the base of which is connected to the drain (collector) of the second 2 input transistor and connected through the second 12 two-pole collector load with a second 10 power supply and the combined collectors of the first 8 and second 11 output transistors, the second 13 current-stabilizing two-terminal connected between the emitter of the first 8 output transistor, Connections 14 to the first auxiliary output device 7 and the first power source, the third 15 two-pole tokostabiliziruyuschy connected between the emitter of the second output transistor 11, 16 connected to a second auxiliary device 7 and the first output power source.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходное статическое синфазное напряжение ДУ будет иметь высокую стабильность и нулевое значение.The main objective of the invention is to create conditions under which the output static common-mode voltage of the remote control will have high stability and zero value.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном операционном усилителе с парафазным выходом (фиг.1), содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен с объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания, предусмотрены новые элементы и связи: в схему введен дополнительный р-n переход 17, включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока 5 и общей шиной 18 первого 7 и второго 10 источников питания, причем первый 14 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через второй 20 резистор обратной связи.The problem is solved in that in a differential operational amplifier with a paraphase output (Fig. 1), containing the first 1 and second 2 input transistors, the gates (bases) of which are connected to the corresponding inputs 3 and 4 of the device, the transistor of the reference current source 5, the collector of which connected to the combined sources (emitters) of the first 1 and second 2 input transistors, and the emitter through the first 6 current-stabilizing two-terminal device is connected to the first 7 power source, the first 8 output transistor, the base of which is connected to the drain (to collector) of the first 1 input transistor and through the first 9 two-pole collector load connected to the second 10 power supply, the second 11 output transistor, the base of which is connected to the drain (collector) of the second 2 input transistor and through the second 12 two-pole collector load connected to the second 10 power source and combined collectors of the first 8 and second 11 output transistors, the second 13 current-stabilizing two-terminal connected between the emitter of the first 8 output transistor connected to the first 14 by the illumination output of the device, and the first 7 power supply, the third 15 current-stabilizing two-terminal, connected between the emitter of the second 11 output transistor connected to the second 16 auxiliary output of the device and the first 7 power source, new elements and communications are provided: an additional pn junction is introduced into the circuit 17, connected between the emitter of the transistor of the reference current source 5 and the common bus 18 of the first 7 and second 10 power sources, and the first 14 auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor 5 chnika reference current through the first feedback resistor 19 and the second auxiliary output device 16 connected to the base of the reference current source transistor 5 through a second feedback resistor 20.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.In Fig.1 shows a diagram of the remote control prototype.

На фиг.2 показана схема заявляемого устройства в соответствии с п.1, а на фиг.3 - в соответствии с п.2 формулы изобретения.Figure 2 shows a diagram of the inventive device in accordance with claim 1, and figure 3 - in accordance with claim 2 of the claims.

На фиг.4 показано включение заявляемого устройства в качестве выходного функционального узла в структуре широкополосного усилителя, содержащего входной нелинейный преобразователь 27 на основе р-n переходов 29, 30, выходы которого подключены ко входам 3, 4 ДУ фиг.2.Figure 4 shows the inclusion of the inventive device as an output functional node in the structure of a broadband amplifier containing an input non-linear converter 27 based on pn junctions 29, 30, the outputs of which are connected to the inputs 3, 4 of the remote control of figure 2.

На фиг.5 показана схема заявляемого ДУ (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».Figure 5 shows a diagram of the claimed remote control (figure 2) in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.

На фиг.6 приведена частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению схемы фиг.5.Figure 6 shows the frequency dependence of the voltage gain of the circuit of figure 5.

Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом (фиг.2) содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, затворы (базы) которых соединены с соответствующими входами 3 и 4 устройства, транзистор источника опорного тока 5, коллектор которого соединен объединенными истоками (эмиттерами) первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а эмиттер через первый 6 токостабилизирующий двухполюсник соединен с первым 7 источником питания, первый 8 выходной транзистор, база которого связана со стоком (коллектором) первого 1 входного транзистора и через первый 9 двухполюсник коллекторной нагрузки соединена со вторым 10 источником питания, второй 11 выходной транзистор, база которого соединена со стоком (коллектором) второго 2 входного транзистора и через второй 12 двухполюсник коллекторной нагрузки связана со вторым 10 источником питания и объединенными коллекторами первого 8 и второго 11 выходных транзисторов, второй 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером первого 8 выходного транзистора, соединенным с первым 14 вспомогательным выходом устройства, и первым 7 источником питания, третий 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между эмиттером второго 11 выходного транзистора, соединенным со вторым 16 вспомогательным выходом устройства и первым 7 источником питания. В схему введен дополнительный р-n переход 17, включенный между эмиттером транзистора источника опорного тока 5 и общей шиной 18 первого 7 и второго 10 источников питания, причем первый 14 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства соединен с базой транзистора источника опорного тока 5 через второй 20 резистор обратной связи.The differential operational amplifier with a paraphase output (figure 2) contains the first 1 and second 2 input transistors, the gates (bases) of which are connected to the corresponding inputs 3 and 4 of the device, the transistor of the reference current source 5, the collector of which is connected by the combined sources (emitters) of the first 1 and the second 2 input transistors, and the emitter is connected through the first 6 current-stabilizing bipolar to the first 7 power supply, the first 8 output transistor, the base of which is connected to the drain (collector) of the first 1 input transistor and through the first 9 two-terminal collector load connected to the second 10 power source, the second 11 output transistor, the base of which is connected to the drain (collector) of the second 2 input transistor and through the second 12 two-pole collector load connected to the second 10 power source and the combined collectors of the first 8 and second 11 output transistors, the second 13 current-stabilizing bipolar connected between the emitter of the first 8 output transistor connected to the first 14 auxiliary output of the device, and the first 7 power supply, the third 15 current-stabilizing two-pole connected between the emitter of the second 11 output transistor connected to the second 16 auxiliary output of the device and the first 7 power source. An additional pn junction 17 is included in the circuit, connected between the emitter of the transistor of the reference current source 5 and the common bus 18 of the first 7 and second 10 power sources, the first 14 auxiliary output of the device being connected to the base of the transistor of the reference current source 5 through the first 19 feedback resistor and the second 16 auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source 5 through the second 20 feedback resistor.

На фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, первый 14 вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока 5 через последовательно соединенные первый 21 дополнительный буферный усилитель и первый 19 резистор обратной связи, а второй 16 вспомогательный выход устройства связан с базой транзистора источника опорного тока 5 через последовательно соединенные второй 22 дополнительный буферный усилитель и второй 20 резистор обратной связи.In Fig. 3, in accordance with claim 2, the first 14 auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source 5 through the first 21 additional buffer amplifier and the first 19 feedback resistor connected in series, and the second 16 auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source 5 through a second 22 additional buffer amplifier and a second 20 feedback resistor connected in series.

На фиг.4 первый 8 и второй 11 выходные транзисторы реализованы в виде составных активных элементов, содержащих соответственно биполярные транзисторы 23, 25 и вспомогательные р-n переходы 24, 26. Входной каскад 27 широкополосного усилителя (фиг.4) содержит цепь смещения потенциалов 28, р-n переходы 29, 30, входные транзисторы 31, 32, резистор местной обратной связи 33 и вспомогательные источники тока 34, 35.In Fig. 4, the first 8 and second 11 output transistors are implemented as composite active elements containing bipolar transistors 23, 25 and auxiliary pn junctions 24, 26, respectively. The input stage 27 of the broadband amplifier (Fig. 4) contains a potential bias circuit 28 , pn junctions 29, 30, input transistors 31, 32, a local feedback resistor 33, and auxiliary current sources 34, 35.

Рассмотрим работу ДУ (фиг.2).Consider the operation of the remote control (figure 2).

Статический режим по току транзисторов 1, 2 и 8, 11 предлагаемого ДУ устанавливается двухполюсниками 6, 13 и 15:The static current mode of the transistors 1, 2 and 8, 11 of the proposed remote control is set by bipolar 6, 13 and 15:

,

где I_c1, I_c2 - токи стока (коллектора) транзисторов 1 и 2,where I _c1 , I _c2 are the drain currents (collector) of transistors 1 and 2,

I₁₇=I₀,I₁₃, I₁₅, I₆ - токи двухполюсников 17, 13, 15, 6.I₁₇= I₀,I₁₃, I_fifteen, I₆ - currents of two-terminal networks 17, 13, 15, 6.

В соответствии со вторым законом Киргофа статические напряжения на выходах 14 и 16 ДУ:In accordance with the second law of Kirgoff, the static voltage at the outputs 14 and 16 of the remote control:

где U_эб.17=U_эб.5 - напряжения «эмиттер-база» транзистора 5 и р-n перехода 17;where U _eb.17 = U _eb.5 - voltage "emitter-base" of the transistor 5 and pn junction 17;

I_б - ток базы транзистора 5.I _b - base current of the transistor 5.

С учетом типовых численных значений I_б и R₁₉=R₂₀ практических схем ДУ из уравнения (2) можно сделать вывод о том, что в заявляемом ДУ статические выходные напряжения U₁₄=U₁₆ близки к единицам милливольт.Given the typical numerical values of I _b and R ₁₉ = R _{20 of the} practical control circuits from equation (2), we can conclude that in the claimed control circuit, the static output voltages U ₁₄ = U ₁₆ are close to millivolts.

Дальнейшее уменьшение U₁₄=U₁₆ возможно за счет рационального выбора сопротивлений резисторов 19 и 20.A further decrease in U ₁₄ = U _{16 is} possible due to a rational choice of the resistances of the resistors 19 and 20.

В зависимости от количества р-n переходов 17 в ДУ (фиг.2) можно установить и другие заданные величины статического выходного синфазного напряжения.Depending on the number of pn junctions 17 in the remote control (figure 2), you can set other specified values of the static output common-mode voltage.

Таким образом, заявляемый дифференциальный операционный усилитель имеет малый нулевой уровень выходного синфазного напряжения. Это весьма существенно для его согласования с последующими функциональными узлами различных систем на кристалле, а также для получения более широкого диапазона изменения выходных противофазных напряжений.Thus, the claimed differential operational amplifier has a small zero level of the output common mode voltage. This is very important for its coordination with the subsequent functional units of various systems on the chip, as well as for obtaining a wider range of output antiphase voltages.

Библиографический списокBibliographic list

1. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Текст] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Проблемы современной аналоговой микросхемотехники: сб. материалов VI Международного научно-практического семинара. В 3-х ч. Ч.1. Функциональные узлы аналоговых интегральных схем и сложных функциональных блоков / под ред. Н.Н.Прокопенко. - Шахты: Изд-во ЮРГУЭС, 2007 - С.106-110.1. Budyakov, A. Design of Fully Differential OpAmps for GHz Range Applications [Text] / Budyakov A., Schmalz K., Prokopenko N., Scheytt C., Ostrovskyy P. // Problems of modern analog microcircuitry: collection. materials of the VI International scientific and practical seminar. In 3 hours, part 1. Functional nodes of analog integrated circuits and complex functional blocks / ed. N.N. Prokopenko. - Mines: Publishing house of SRUES, 2007 - S.106-110.

2. S.P.Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp.283-286, Nov. 2005, фиг.2.2. S.P. Voinigescu, et al., "Design Methodology and Applications of SiGe BiCMOS Cascode Opamps with up to 37-GHz Unity Gain Bandwidth," IEEE CSICS, Techn. Digest, pp. 283-286, Nov. 2005, FIG. 2.

3. S.P.Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz", IEEE BCTM, pp.1-8, Oct.2006.3. S.P. Voinigescu, et al., "SiGe BiCMOS for Analog, High-Speed Digital and Millimetre-Wave Applications Beyond 50 GHz", IEEE BCTM, pp. 1-8, Oct. 2006.

4. Патент США №5.684.4194. US Patent No. 5,684,419

5. Патентная заявка WO 2009/042474, fig.55. Patent application WO 2009/042474, fig.5

6. Патентная заявка WO 96/212716. Patent application WO 96/21271

7. Патентная заявка США 2010/0019946, fig.37. US Patent Application 2010/0019946, fig. 3

8. Патент США №6.693.4898. US Patent No. 6,693.489

9. Патентная заявка WO 2005/074136, fig.19. Patent application WO 2005/074136, fig. 1

10. Патентная заявка США 2006/0038616, fig.110. US Patent Application 2006/0038616, fig. 1

11. Патентная заявка США 2010/0102884, fig.211. US Patent Application 2010/0102884, fig. 2

12. Патент США №6.285.245, fig.112. US Patent No. 6,285.245, fig. 1

13. Патент США №4.517.52413. US Patent No. 4,517.524

14. Патент США №4.276.485, fig.114. US Patent No. 4,276,485, fig. 1

15. Патентная заявка США 2005/008823215. US patent application 2005/0088232

16. Патент Франции №2409640, fig.116. French Patent No. 2409640, fig. 1

17. Патентная заявка США 2005/0110571, fig.717. US Patent Application 2005/0110571, fig. 7

18. Патентная заявка США 2009/108882, fig.318. US Patent Application 2009/108882, fig. 3

19. Патентная заявка США №2009/0221259, fig.1319. US patent application No. 2009/0221259, fig.13

20. Патентная заявка США №2005/020041420. US patent application No. 2005/0200414

21. Патент США №4.680.553, fig.1321. US Patent No. 4,680.553, fig.13

22. Патентная заявка США №2004/0046592, fig.222. US patent application No. 2004/0046592, fig. 2

23. Патент JP №54079553, fig.123. JP Patent No. 54079553, fig. 1

24. Патент GB №2008883, fig.124. GB Patent No. 20088883, fig. 1

25. Патент США №6.462.61825. US Patent No. 6,462.618

26. Патент США №3.541.46426. US Patent No. 3,541.464

27. Патентная заявка WO 2004/10278927. Patent application WO 2004/102789

28. Патент США №5.389.89328. US Patent No. 5,389.893

29. Патент Японии JP 53-14284929. Japanese Patent JP 53-142849

30. А.св. СССР 110201930. A. St. USSR 1102019

31. Патентная заявка WO 2005/07752531. Patent application WO 2005/077525

32. Патентная заявка США №2006/018134832. US patent application No. 2006/0181348

33. Патент Англии GB 241905233. England patent GB 2419052

34. Патентная заявка США №2008/029094134. US patent application No. 2008/0290941

35. Патент Японии JP 5503021835. Japan patent JP 55030218

36. Патент Англии GB 135035236. England patent GB 1350352

37. Патент Японии JP 54-4746737. Japanese Patent JP 54-47467

38. Патент Японии JP 5509981038. Japanese Patent JP 55099810

39. Патент ФРГ DE 282194239. German patent DE 2821942

Claims

1. A differential operational amplifier with a paraphase output, containing the first (1) and second (2) input transistors, the gates (bases) of which are connected to the corresponding inputs (3) and (4) of the device, the reference current source transistor (5), the collector of which connected to the combined sources (emitters) of the first (1) and second (2) input transistors, and the emitter through the first (6) current-stabilizing two-terminal device is connected to the first (7) power source, the first (8) output transistor, the base of which is connected to the drain ( collector) of the first (1) input t an anistor and through the first (9) collector load two-pole terminal is connected to the second (10) power source, the second (11) output transistor, the base of which is connected to the drain (collector) of the second (2) input transistor and is connected through the second (12) two-pole collector load with a second (10) power source and combined collectors of the first (8) and second (11) output transistors, the second (13) current-stabilizing two-terminal device connected between the emitter of the first (8) output transistor connected to the first (14) auxiliary output device, and the first (7) power source, the third (15) current-stabilizing two-terminal device connected between the emitter of the second (11) output transistor connected to the second (16) auxiliary output of the device and the first (7) power source, characterized in that in the circuit an additional pn junction (17) is introduced, connected between the emitter of the transistor of the reference current source (5) and the common bus (18) of the first (7) and second (10) power sources, and the first (14) auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor reference current source (5) h Res first (19), a feedback resistor, and the second (16) auxiliary output device connected to the base of the reference current source transistor (5) via the second (20) feedback resistor.

2. The differential operational amplifier with a paraphase output according to claim 1, characterized in that the first (14) auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source (5) through the first (21) additional buffer amplifier and the first (19) resistor connected in series feedback, and the second (16) auxiliary output of the device is connected to the base of the transistor of the reference current source (5) through a second buffer amplifier (22) and a second (20) feedback resistor connected in series.