RU2568316C1 - Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном - Google Patents

Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном Download PDF

Info

Publication number
RU2568316C1
RU2568316C1 RU2014147804/08A RU2014147804A RU2568316C1 RU 2568316 C1 RU2568316 C1 RU 2568316C1 RU 2014147804/08 A RU2014147804/08 A RU 2014147804/08A RU 2014147804 A RU2014147804 A RU 2014147804A RU 2568316 C1 RU2568316 C1 RU 2568316C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
current
output
output transistor
input
emitter
Prior art date
Application number
RU2014147804/08A
Other languages
English (en)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко
Николай Владимирович Бутырлагин
Петр Сергеевич Будяков
Анна Витальевна Бугакова
Original Assignee
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту) filed Critical Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Донской Государственный Технический Университет" (Дгту)
Priority to RU2014147804/08A priority Critical patent/RU2568316C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2568316C1 publication Critical patent/RU2568316C1/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03F—AMPLIFIERS
    • H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45—Differential amplifiers
    • H03F3/45071—Differential amplifiers with semiconductor devices only
    • H03F3/45076—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier
    • H03F3/4508—Differential amplifiers with semiconductor devices only characterised by the way of implementation of the active amplifying circuit in the differential amplifier using bipolar transistors as the active amplifying circuit
    • H03F3/45085—Long tailed pairs
    • H03F3/45094—Folded cascode stages

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

Изобретение относится к устройствам усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (например, широкополосных и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов). Технический результат заключается в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном содержит входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами. В схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора. 4 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 и избирательных усилителях ВЧ и СВЧ диапазонов, реализуемых по новым и перспективным технологиям).
В современной микроэлектронике находят широкое применение «перегнутые» каскодные усилители (КУ) с резистивной (или резистивно-индуктивной) нагрузкой, включенной в коллекторную (стоковую) цепь выходных транзисторов [1-11]. Однако верхняя граничная частота коэффициента усиления по напряжению (fв, по уровню - 3 дБ) таких «перегнутых» КУ оказывается во многих случаях недостаточно высокой. Это связано с отрицательным влиянием на fв емкостей коллектор-база (Cкб) выходных транзисторов КУ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ, представленный в патенте US 4600893, фиг. 4. Он содержит (фиг. 1) входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15.
Существенный недостаток известного КУ фиг. 1, архитектура которого присутствует также в других КУ [1-11], состоит в том, что он имеет недостаточно высокие значения верхней граничной частоты (fв). Численные значения fв для технологических процессов, имеющих, например, повышенную радиационную стойкость, являются одним из главных факторов, определяющих частотный диапазон широкополосных усилителей на основе КУ фиг. 1.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона рабочих частот КУ (повышении его fв) без ухудшения коэффициента усиления по напряжению в диапазоне средних частот.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.
Схема усилителя-прототипа показана на фиг. 1.
На фиг. 2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.
На фиг. 3 представлена схема заявляемого устройства фиг. 2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г. Минск).
На фиг. 4 представлена амплитудно-частотная характеристика заявляемого устройства при разных значениях коэффициента усиления по току Ki первого 16 и второго 17 токовых зеркал.
Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном фиг. 2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и связан со второй 6 шиной источника питания через первый 7 токостабилизирующий двухполюсник, второй 8 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и через второй 9 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 6 шиной источника питания, цепь нагрузки 10, первый 11 вход которой соединен с коллектором первого 5 выходного транзистора и подключен к первому 12 выходу устройства, а второй вход 13 цепи нагрузки 10 соединен с коллектором второго 8 выходного транзистора и связан со вторым 14 выходом устройства, цепь смещения потенциалов 15. В схему введены первое 16 и второе 17 дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов 15, вход первого 16 токового зеркала подключен к базе первого 5 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора, вход второго 17 токового зеркала подключен к базе второго 8 выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого 5 выходного транзистора.
В схеме фиг. 2 цепь нагрузки 10 выполнена на основе вспомогательных резисторов 18 и 19, роль которых могут выполнять так называемые активные нагрузки.
Рассмотрим работу КУ фиг. 2.
В области высоких частот на амплитудно-частотную характеристику КУ фиг. 2 начинают влиять емкости коллектор-база первого 5 (Cкб.5) и второго 8 (cкб.8) выходных транзисторов. При этом для схемы фиг. 2 справедливы следующие уравнения:
Figure 00000001
где
Figure 00000002
- комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база Cкб.5 транзистора 5;
Figure 00000003
- комплекс тока через паразитный конденсатор коллектор-база Cкб.8 транзистора 8;
Figure 00000004
,
Figure 00000005
- комплексы напряжений на первом 12 и втором 14 выходах устройства;
Figure 00000006
- комплексное сопротивление паразитного конденсатора Cкб.5 на частоте сигнала ω;
Figure 00000007
- комплексное сопротивление паразитного конденсатора Cкб.8 на частоте сигнала ω.
Ток
Figure 00000008
передается через второе 17 токовое зеркало в эмиттерную (
Figure 00000009
), а затем в коллекторную цепь транзистора 5 (Iк5). В результате в выходной цепи (узел 12) обеспечивается почти полная взаимная компенсация двух близких по величине, но противофазных по направлению емкостных токов:
Figure 00000010
где α5≤1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5;
Figure 00000011
- комплекс напряжения на первом 12 выходе устройства;
Ki17 - коэффициент передачи по току второго 17 токового зеркала.
Как следствие, эквивалентная постоянная времени τв12, определяющая верхнюю граничную частоту ДУ фиг. 2 для первого 12 выхода устройства, уменьшается:
Figure 00000012
где R18 - сопротивление вспомогательного резистора 18.
После преобразований (3) можно получить, что
Figure 00000013
Так как α5≈1, Ki17=1, Cкб.8= Cкб.5, то из (4) следует, что в схеме фиг. 2 обеспечивается повышение верхней граничной частоты:
Figure 00000014
где
Figure 00000015
- верхняя граничная частота ДУ-прототипа для первого 12 выхода.
Аналогично для второго 14 выхода устройства можно найти
Figure 00000016
где
Figure 00000017
- верхняя граничная частота ДУ-прототипа для второго 14 выхода.
Результаты компьютерного моделирования подтверждают, что в заявляемой схеме фиг. 2 частота fв12 увеличивается (в сравнении с
Figure 00000018
прототипа) более чем на порядок.
Источники информации
1. Патент US №4600893, фиг. 5.
2. Патент US №4151484, фиг. 4.
3. Патент RU №2321158, фиг. 2.
4. Патент US №7583146.
5. Патент US №5966050, фиг. 4.
6. Патент US №4004245.
7. Патент RU №2349024, фиг. 1.
8. Патент US 5684419.
9. Патент US 4406990.
10. Патент EP 0144647.
11. Патент US №7605658, фиг. 4, фиг. 5.

Claims (1)

  1. Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) противофазными токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого согласована с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен с первым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и связан со второй (6) шиной источника питания через первый (7) токостабилизирующий двухполюсник, второй (8) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом входного дифференциального каскада (1) и через второй (9) токостабилизирующий двухполюсник связан со второй (6) шиной источника питания, цепь нагрузки (10), первый (11) вход которой соединен с коллектором первого (5) выходного транзистора и подключен к первому (12) выходу устройства, а второй вход (13) цепи нагрузки (10) соединен с коллектором второго (8) выходного транзистора и связан со вторым (14) выходом устройства, цепь смещения потенциалов (15), отличающийся тем, что в схему введены первое (16) и второе (17) дополнительные токовые зеркала, согласованные с цепью смещения потенциалов (15), вход первого (16) токового зеркала подключен к базе первого (5) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора, вход второго (17) токового зеркала подключен к базе второго (8) выходного транзистора, а его токовый выход связан с эмиттером первого (5) выходного транзистора.
RU2014147804/08A 2014-11-26 2014-11-26 Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном RU2568316C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147804/08A RU2568316C1 (ru) 2014-11-26 2014-11-26 Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014147804/08A RU2568316C1 (ru) 2014-11-26 2014-11-26 Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2568316C1 true RU2568316C1 (ru) 2015-11-20

Family

ID=54597913

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014147804/08A RU2568316C1 (ru) 2014-11-26 2014-11-26 Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2568316C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4600893A (en) * 1983-10-24 1986-07-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Differential amplifier with improved dynamic range
RU2467470C1 (ru) * 2011-09-20 2012-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Избирательный усилитель
RU2479112C1 (ru) * 2012-03-27 2013-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Избирательный усилитель

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4600893A (en) * 1983-10-24 1986-07-15 Kabushiki Kaisha Toshiba Differential amplifier with improved dynamic range
RU2467470C1 (ru) * 2011-09-20 2012-11-20 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Избирательный усилитель
RU2479112C1 (ru) * 2012-03-27 2013-04-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") Избирательный усилитель

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2393627C1 (ru) Широкополосный операционный усилитель с дифференциальным выходом
RU2566963C1 (ru) Дифференциальный входной каскад быстродействующего операционного усилителя для кмоп-техпроцессов
TWI644512B (zh) 可變增益放大器及其方法
RU2568316C1 (ru) Дифференциальный усилитель с расширенным частотным диапазоном
RU2536672C1 (ru) Составной транзистор с малой выходной емкостью
RU2475942C1 (ru) Широкополосный дифференциальный усилитель
RU2583760C1 (ru) Биполярно-полевой операционный усилитель
RU2419187C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель с повышенной стабильностью нулевого уровня
RU2468502C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель
RU2446554C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель с парафазным выходом
RU2421878C1 (ru) Каскодный широкополосный усилитель
RU2460206C1 (ru) Каскодный свч-усилитель с малым напряжением питания
RU2408975C1 (ru) Каскодный дифференциальный усилитель
RU2572376C1 (ru) Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот
RU2641445C1 (ru) Широкополосный дифференциальный операционный усилитель
RU2572375C1 (ru) Двойной каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот
RU2621289C1 (ru) Двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель с повышенным коэффициентом усиления
RU2459348C1 (ru) Операционный усилитель с цепью коррекции коэффициента усиления
RU2432666C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель с малым напряжением питания
RU2568780C1 (ru) Каскодный усилитель с расширенным диапазоном рабочих частот
RU2571369C1 (ru) Каскодный усилитель с расширенным частотным диапазоном
RU2412540C1 (ru) Дифференциальный операционный усилитель
RU2568318C1 (ru) Мультидифференциальный операционный усилитель с малым напряжением смещения нуля
RU2479113C1 (ru) Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом
RU2572388C1 (ru) Транзисторный усилитель с расширенным частотным диапазоном

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161127