дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления
Классы МПК: | H03F3/45 дифференциальные усилители |
Автор(ы): | Прокопенко Николай Николаевич (RU), Серебряков Александр Игоревич (RU), Семенищев Евгений Александрович (RU) |
Патентообладатель(и): | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-11-05 публикация патента:
10.04.2011 |
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, операционных усилителях (ОУ), компараторах). Технический результат: повышение в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании в качестве цепи нагрузки сравнительно низкоомного двухполюсника (например, R6=50÷100 Ом). Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления содержит входной дифференциальный каскад (ДК) (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, первый (4) буферный усилитель (БУ), вход которого соединен со вторым (3) токовым выходом ДК (1) и выходом токового зеркала (5), первую цепь нагрузки (6), связанную с выходом первого БУ (4), первый вспомогательный повторитель напряжения (7), вход которого подключен ко второму (3) токовому выходу ДК (1), а выход соединен с эмиттерным входом токового зеркала (5), причем первый (2) токовый выход ДК (1) соединен со входом токового зеркала (5). В схему введен второй БУ (9), вход которого соединен с первым (2) токовым выходом ДК (1), а выход подключен ко второй цепи нагрузки (10). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Формула изобретения
1. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления, содержащий входной дифференциальный каскад с первым и вторым токовыми выходами, первый буферный усилитель, вход которого соединен со вторым токовым выходом входного дифференциального каскада и выходом токового зеркала, первую цепь нагрузки, связанную с выходом первого буферного усилителя, первый вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму токовому выходу входного дифференциального каскада, а выход соединен с эмиттерным входом токового зеркала, причем первый токовый выход входного дифференциального каскада соединен со входом токового зеркала, отличающийся тем, что в схему введен второй буферный усилитель, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, а выход подключен ко второй цепи нагрузки.
2. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что параметры первого и второго буферных усилителей, а также параметры первой и второй цепей нагрузки удовлетворяют условию
R6Ki4 R10Ki9,
где Ki4 , Ki9 - коэффициенты усиления по току первого (4) и второго (9) буферных усилителей;
R6, R 10 - эквивалентные сопротивления первой (6) и второй (10) цепей нагрузки.
3. Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления по п.1, отличающийся тем, что в схему введен второй вспомогательный повторитель напряжения, вход которого соединен с первым токовым выходом входного дифференциального каскада, причем параметры второго вспомогательного повторителя напряжения удовлетворяют следующему условию
R20 Ki18 R19Ki7,
где Ki7 , Ki18 - коэффициенты усиления по току первого (7) и второго (18) вспомогательных повторителей напряжения;
R19, R20 - эквивалентные сопротивления нагрузки (19) и (20) в цепях выходов первого (7) и второго (18) вспомогательных повторителей напряжения.
Описание изобретения к патенту
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, операционных усилителях (ОУ), компараторах).
В современной аналоговой микроэлектронике широко применяются дифференциальные усилители (ДУ) с активными нагрузками в виде токовых зеркал на биполярных транзисторах, тип проводимости которых противоположен типу проводимости входных транзисторов ДУ. Для повышения коэффициентов усиления по напряжению (Ку ) таких ДУ применяются схемы со «следящим» питанием токового зеркала [1-9], которое обеспечивается за счет вспомогательного повторителя напряжения, передающего выходной сигнал токового зеркала в цепь его эмиттерного выхода. Такие схемотехнические решения стали основой многих аналоговых микросхем как отечественного (5005УД1, НПП «Ангстрем» [8]), так и зарубежного производства (AD797, Analog Devices [9]).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является ДУ (фиг.1), рассмотренный в журнале «Радио» ( № 12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD797)). Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5.
Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что при реализации его цепи нагрузки 6 в виде низкоомного резистора (50-100 Ом) и классическом построении первого 4 буферного усилителя на основе эмиттерного повторителя его коэффициент усиления по напряжению (Ку) получается небольшим.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении в 8-10 раз коэффициента усиления по напряжению при использовании в качестве цепи нагрузки сравнительно низкоомного двухполюсника (например, R6=50÷100 Ом).
Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.2 формулы изобретения, показана на фиг.2.
На фиг.3 показана схема, соответствующая п.3 формулы изобретения.
На фиг.4-фиг.5 показаны схема ДУ-прототипа с R4= (фиг.4) и схема заявляемого ДУ с R4=R5 =50 Ом (фиг.5) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.6 - зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции. Данные графики показывают, что при низкоомном двухполюснике нагрузки 6 (R6=50 Ом в схеме фиг.5) коэффициент усиления по напряжению предлагаемого ДУ улучшается на 26 дБ в сравнении с Ку известного устройства. Это важное достоинство предлагаемого ДУ при его реализации в рамках технологических процессов SGB25H2 с малыми напряжениями питания транзисторов.
На фиг.7 приведена зависимость коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем (фиг.4, фиг.5) без элементов частотной коррекции при R6=50 Ом, R10=47 Ом).
Дифференциальный усилитель с повышенным коэффициентом усиления фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, первый 4 буферный усилитель, вход которого соединен со вторым 3 токовым выходом входного дифференциального каскада 1 и выходом токового зеркала 5, первую 6 цепь нагрузки, связанную с выходом первого 4 буферного усилителя, первый 7 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1, а выход соединен с эмиттерным входом 8 токового зеркала 5, причем первый 2 токовый выход входного дифференциального каскада 1 соединен со входом токового зеркала 5. В схему введен второй буферный усилитель 9, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второй 10 цепи нагрузки. В частном случае входной дифференциальный каскад 1 выполнен на основе транзисторов 11, 12 и двухполюсника 13, токовое зеркало 5 включает элементы 14 и 15, а буферный усилитель 5 - двухполюсник 16 и транзистор 17.
На фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, параметры первого 4 и второго 9 буферных усилителей, а также параметры первой 6 и второй 10 цепей нагрузки удовлетворяют условию
R6Ki4 R10Kil0,
где K i.4, Ki.9 - коэффициенты усиления по току первого 4 и второго 9 буферных усилителей;
R6 , R10 - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.
На фиг.3, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в схему введен второй 18 вспомогательный повторитель напряжения, вход которого соединен с первым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, причем параметры второго 18 вспомогательного повторителя напряжения удовлетворяют следующему условию
R20Kil8 R19Ki7,
где K i.7, Ki.18 - коэффициенты усиления по току первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения;
R19, R20 - эквивалентные сопротивления нагрузки 19 и 20 в цепях выходов первого 7 и второго 18 вспомогательных повторителей напряжения.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства фиг.2 при низкоомной нагрузке 6 и Ki4 , Ki9 (например, Ki4=Ki9=50).
В статическом режиме коллекторные токи (Iкi) транзисторов 11 и 12 устанавливаются двухполюсником 13:
где I0=I13/2.
Через эмиттерный выход 8 токового зеркала 5 при введении общей отрицательной обратной связи протекает статический ток, равный 2I0.
Для минимизации напряжения смещения нуля ДУ фиг.2 (Uсм) авторы рекомендуют выбирать статический ток двухполюсника 16 на уровне
В качестве буферных усилителей 4 и 6 при работе в ВЧ и СВЧ диапазонах следует использовать классические эмиттерные повторители на одиночных n-p-n транзисторах или так называемые «бриллиантовые» транзисторы.
Первая 6 и вторая 10 цепи нагрузки могут иметь непосредственную или емкостную связь с буферными усилителями 4 и 9.
При реализации ДУ фиг.2 (фиг.3) по SiGe технологии SGB25VD, внедряемой российскими предприятиями, токовое зеркало 5 и повторитель напряжения 7 могут быть реализованы на КМОП транзисторах.
Если на вход Вх.(+)1 подается напряжение uвх , то это вызывает увеличение коллекторного тока транзистора 11 и уменьшение коллекторного тока транзистора 12. Как следствие, увеличивается напряжение на токовом выходе 3 (u3>0) и напряжение в нагрузке 6 (u6 u3). При этом за счет передачи напряжения u 3 в узел 8 и далее на первый 2 токовый выход обеспечивается равенство
Как следствие, в цепи токовых выходов 2 и 3 возникают токи i2 и i3:
где r2 Ki9R10 - эквивалентное сопротивление в узле 2;
r3 Ki4R6 - эквивалентное сопротивление в узле 3;
Ki9, Ki4 - коэффициенты усиления по току буферных усилителей 9 и 4 (Ki9=20÷80, Ki4=20÷80);
R6, R 10 - эквивалентные сопротивления первой 6 и второй 10 цепей нагрузки.
Приращение тока i2 поступает на выход токового зеркала 5. Поэтому в узле 3 происходит взаимная компенсация двух близких по величине токов iпт5=i 2 и i3. Поэтому разный ток в этом узле:
где iпт5 - выходной ток токового зеркала 5.
Если выбрать r3 =r2, то в этом случае эффективное сопротивление в цепи второго 3 токового выхода существенно возрастает
Поэтому коэффициент усиления по напряжению ДУ фиг.2 увеличивается
где - сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12;
т=26 мВ - температурный потенциал.
В ДУ-прототипе (фиг.1) эквивалентное сопротивление в узле 3
Таким образом, выигрыш по коэффициенту усиления, который дает в сравнении с прототипом схема фиг.2:
Если выбрать Ki4R6 =Ki9R10, то Nу>>1.
Дальнейшим развитием схемы фиг.2 является схема фиг.3, в которой обеспечивается взаимная компенсация не только сопротивлений цепей нагрузки 10 и 6, но и эквивалентных сопротивлений 19 и 20, которые нагружают выходы эмиттерных повторителей 7 и 18. Такая ситуация возникает в ряде частных случаев применения заявляемого ДУ (например, по аналогии с [1, 2, 6]). Для данного варианта ДУ необходимо одновременно обеспечить равенства
В этом случае эквивалентные сопротивления в узлах 2 и 3 будут одинаковы (r* 2=r* 3), что является одним из условий повышения Ку.
Представленные на чертеже фиг.6 графики подтверждают данные теоретические выводы. Моделирование схем фиг.1 и фиг.2 показывает, что при выборе R10 несколько меньше, чем R6, выигрыш по Ку увеличивается на 35÷50 дБ. Причем Ку достигает величины 75÷90 дБ при R6=50 Ом (фиг.7).
Таким образом, предлагаемое устройство имеет существенные преимущества по коэффициенту усиления по напряжению (Ку) в сравнении с известным ДУ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент США № 4.857.862, fig.1.
2. Патент США № 4.595.883, fig.7.
3. Патентная заявка США № 2005/00358216, fig.4.
4. Патент США № 2006/0044068, fig.1а.
5. А.св. СССР № 987605.
6. Патент США № 6.822.512.
7. Патент США № 4.524.330.
8. Операционные усилители и компараторы [Текст]. - М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. - С.304. Операционный усилитель 5005УД1 («Ангстрем»).
9. Орлов, А. УМЗЧ с однокаскадным усилением напряжения [Текст] / А.Орлов // Журнал «Радио», № 12, 1997. - С.14, рис.1 (Analog Devices, AD 797).
Класс H03F3/45 дифференциальные усилители
избирательный усилитель с расширенным частотным диапазоном - патент 2525744 (20.08.2014) | |
мультидифференциальный операционный усилитель - патент 2523124 (20.07.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2520418 (27.06.2014) | |
составной транзистор - патент 2519563 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519558 (10.06.2014) | |
избирательный усилитель - патент 2519446 (10.06.2014) | |
гибридный дифференциальный усилитель - патент 2519373 (10.06.2014) | |
управляемый избирательный усилитель - патент 2519035 (10.06.2014) | |
инструментальный усилитель - патент 2519032 (10.06.2014) | |
дифференциальный операционный усилитель с пассивным параллельным каналом - патент 2517699 (27.05.2014) |