Результат интеллектуальной деятельности: ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПАРАФАЗНЫМ ВЫХОДОМ

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 классического входного каскада с местной отрицательной обратной связью и дифференциальным выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-22].

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 гигагерцевого диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п. [23-24].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 7.795.974, fig.3, содержащий первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени (τ₁, τ₂) в высокоимпедансных коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов:

где r₁₁, r₁₄ - эквивалентные проводимости в коллекторных цепях первого 1 и второго 2 входных транзисторов;

C₂₀, C₂₁ - эквивалентные емкости, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 1, 11 и 14, 2. Если С₂₀=С₂₁≤0,5 пФ, а r₁₁≈r₁₄≈10⁶ Ом, то τ₂=τ₁=5·10^-7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте

устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается повышение верхней граничной частоты f_В ДУ (по уровню - 3дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов, предусмотрены новые элементы и связи - первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

На фиг.1 показана схема ДУ-прототипа.

На фиг.2 показано заявляемое устройство.

На фиг.3 приведена схема заявляемого ДУ фиг.2 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.4 представлена частотная зависимость коэффициента усиления (Ky) ДУ фиг.3 при различных значениях емкостей конденсаторов C1=C2=Cvar, соответствующих элементов 22 и 23 в схеме фиг.2.

На фиг.5 показана зависимость выходных напряжений ДУ фиг.3 при входном сигнале in1=100 мкВ на частоте 1МГц и значениях С1=С2=1 пФ.

Широкополосный дифференциальный усилитель с парафазным выходом фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, между эмиттерами которых включен резистор местной обратной связи 3, управляемый источник тока 4, общая эмиттерная цепь которого соединена с первой 5 шиной источника питания, первый 6 токовый выход соединен с эмиттером первого 1 входного транзистора, второй 7 токовый выход соединен с эмиттером второго 2 входного транзистора, а управляющий вход 8 подключен к выходу вспомогательного усилителя напряжения 9, первый 10 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором первого 1 входного транзистора и через первый 11 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, второй 13 буферный усилитель, вход которого соединен с коллектором второго 2 с входного транзистора и через второй 14 токостабилизирующий двухполюсник связан со второй 12 шиной источника питания, первый 15 и второй 16 последовательно соединенные вспомогательные резисторы, включенные между первым 17 и вторым 18 выходами устройства, общий узел которых 19 связан с неинвертирующим входом вспомогательного усилителя напряжения 9, первая 20 и вторая 21 паразитные емкости, связанные с коллекторами соответствующих первого 1 и второго 2 входных транзисторов. Первый 17 выход устройства связан с эмиттером второго 2 входного транзистора через первый 22 корректирующий конденсатор, а второй 18 выход устройства связан с эмиттером первого 1 входного транзистора через второй 23 корректирующий конденсатор.

Управляемый источник тока 4 реализован в схеме фиг.2 на базе транзисторов 24, 25 и резисторов 26, 27.

Рассмотрим работу ДУ фиг.2.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.2 устанавливается цепью отрицательной обратной связи и токостабилизирующими двухполюсниками 11 и 14. Причем коллекторные (I_кi) токи транзисторов схемы:

I_K24=I_K25≈I₀,

где I₀ - заданное значение опорного тока, например 1 мА.

Статические напряжения на выходах ДУ 17 и 18 при нулевом входном сигнале (u_вх=0) близко к нулю, что обеспечивается вспомогательным усилителем напряжения 9:

В заявляемом ДУ за счет введения корректирующих конденсаторов 22 и 23 почти на порядок расширяется диапазон рабочих частот (фиг.4) - верхняя граничная частота f_В увеличивается от 1,1 мГц до 8,5 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией паразитной емкости на подложку С₂₀ (С₂₁) емкостью корректирующего конденсатора 23 (22). При этом, эффективные емкости С_20.эф, С_21.эф при R₂>>r_э1=r_э2 уменьшаются до величины:

где α₁≈α₂≈0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 1 и 2 при токах эмиттера (1÷0,25) мА;

r_э1=r_э2=25÷100 Ом - сопротивления эмиттера переходов транзисторов 1 и 2.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 1 и 2) уменьшаются, что повышает почти на порядок верхнюю граничную частоту f_В ДУ (фиг.4).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.3 показывают (фиг.4), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.2) могут быть построены широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США №5.666.888

2. Патент США №5.767.741

3. Патентная заявка 20020053935

4. Патент США №5.550.512

5. Патент США 5.256.984

6. Патент США №4.439.696

7. А.св. СССР 600545

8. Патент США 5.389.893

9. Патент США 5.914.639

10. Патент США 5.521.544

11. Патент США №4.721.920

12. Патентная заявка 20040251965 A1

13. Патент США №5.065.112

14. Патент США №5.521.544

15. Патент США №4.288.707

16. Патент США №5.774.020

17. Патент США №4.498.053

18. Патент США №5.610.547, фиг.19

19. Патент США №6.369.618, фиг.2

20. Патент США №6.111.463, фиг.1

21. Патент США №5.610.547

22. Патент США 4.385.364

23. Design of Bipolar Differential OpAmps with Unity Gain Bandwidth up to 23 GHz \ N.Prokopenko, A.Budyakov, K.Schmalz, C.Scheytt, P.Ostrovskyy \\ Proceeding of the 4-th European Conference on Circuits and Systems for Communications - ECCSC'08 /- Politehnica University, Bucharest, Romania: July 10-11, 2008. - pp.50-53.

24. СВЧ СФ-блоки систем связи на базе полностью дифференциальных операционных усилителей \ Прокопенко Н.Н., Будяков А.С., K.Schmalz, C.Scheytt \\ Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем. - 2010. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН А.Л.Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2010. - С.583-586.