Результат интеллектуальной деятельности: ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С НУЛЕВЫМ УРОВНЕМ ВЫХОДНЫХ СТАТИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления широкополосных сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения (видеоусилителей, операционных усилителей, непрерывных стабилизаторов напряжения, перемножителей сигналов и т.д.).

Известны дифференциальные усилители (ДУ) на комплементарных n-p-n и p-n-p-транзисторах [1-29], которые составляют основу многих аналоговых микросхем ведущих микроэлектронных фирм (µА741, µА748, µА776 и др.) [1].

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель по патенту US №4.901.031. Он содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что уровень постоянных составляющих его выходных противофазных напряжений смещен относительно общей шины источников питания. Это не позволяет обеспечить в ДУ:

- высокое усиление (Ку) при нулевом уровне статических напряжений на потенциальных выходах устройства;

- каскодное (последовательное) соединение двух и более идентичных ДУ без специальных цепей смещения статического уровня выходов ДУ относительно общей шины.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых выходные статические напряжения ДУ всегда близки к потенциалу общей шины источников питания ДУ. То есть такой ДУ обеспечивает преобразование входных сигналов, изменяющихся относительно общей шины источников питания в выходные напряжения, которые имеют близкие к нулю уровни постоянной составляющей и также изменяются противофазно относительно общей шины источников питания. Идентичные каскады данного класса допускают непосредственное соединение друг с другом и не требуют специальных цепей смещения статического уровня, ухудшающих их частотные и другие свойства.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - первый 7 источник опорного тока включен между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, второй дополнительный 13 источник опорного тока включен между коллектором второго 6 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, между коллекторами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов включены последовательно соединенные первый 14 и второй 15 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем противофазными потенциальными выходами устройства 16, 17 являются коллекторы первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а в качестве первого 1 и второго 2 входных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, затворы которых являются входными управляющими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, стоки - выходными токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а истоки - инжектирующими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 показана схема усилителя в соответствии с п.2 формулы изобретения, где первая группа (8, 9) противофазных токовых выходов дифференциального усилителя связана со второй 18 шиной источника питания через дополнительную цепь нагрузки 19, причем токовые выходы 8 и 9 являются дополнительными потенциальными противофазными выходами устройства.

На чертеже фиг.4 показана схема усилителя фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов АБМК_1_3 НПО «Интеграл» (г.Минск).

На чертеже фиг.5 показана зависимость коэффициента усиления ДУ фиг.4 от сопротивлений дополнительных резисторов R₁ R₂ (14 и 15 в обозначениях фиг.2).

Дифференциальный усилитель с нулевым уровнем выходных статических напряжений фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 входные транзисторы, входные управляющие выводы которых соединены с соответствующими первым 3 и вторым 4 входами устройства, первый 5 и второй 6 выходные биполярные транзисторы, базы которых соединены друг с другом, первый 7 источник опорного тока, первую (8-9) группу противофазных токовых выходов 8 и 9 устройства, связанных соответствующими токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, вторую группу (10, 11) противофазных токовых выходов 10 и 11 устройства, связанных с соответствующими коллекторами первого 5 и второго 6 выходных биполярных транзисторов, причем инжектирующий вывод первого 1 входного транзистора соединен с эмиттером первого 5 выходного биполярного транзистора, инжектирующий вывод второго 2 входного транзистора соединен с эмиттером второго 6 выходного транзистора. В данной схеме первый 7 источник опорного тока включен между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, второй дополнительный 13 источник опорного тока включен между коллектором второго 6 выходного транзистора и первой 12 шиной источника питания, между коллекторами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов включены последовательно соединенные первый 14 и второй 15 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, причем противофазными потенциальными выходами устройства 16, 17 являются коллекторы первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а в качестве первого 1 и второго 2 входных транзисторов используются полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, затворы которых являются входными управляющими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, стоки - выходными токовыми выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов, а истоки - инжектирующими выводами первого 1 и второго 2 входных транзисторов.

На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, введена дополнительная цепь нагрузки 19, содержащая в частном случае резисторы нагрузки 20 и 21.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2.

При нулевом входном сигнале (u_вх.1=u_вх.2=0) статический режим транзисторов 1, 2 и 5, 6 устанавливается источниками опорного тока 7 и 13:

где I_c, I_u - токи стока и истока полевых транзисторов 1, 2;

I_э, I_к - токи эмиттера и коллектора транзисторов 5 и 6.

При этом на основании второго закона Кирхгофа можно найти, что выходные статические напряжения ДУ фиг.2:

При относительно небольших значениях напряжений на резисторах 14 и 15 (R₁₄I_б=R₁₅I_б<<U_эб.5) из (3), (4) для кремниевых технологий можно получить:

Напряжения затвор-исток U_зи полевого транзистора связаны с током стока (истока) следующей приближенной формулой

где I_c.max - максимальный ток стока при U_зи=0;

U_отс - напряжение отсечки при I_c≈0.

Учитывая, что численные значения напряжений затвор-исток (U_зи) полевого транзистора с управляющим p-n переходом могут изменяться в зависимости от тока стока I_с в широких пределах, из (5) и (6) можно найти, что при линейной аппроксимации стоко-затворной характеристики полевого транзистора (7) и выборе токов двухполюсников 7 и 13 в соответствии с формулой:

выходные статические напряжения (5) и (6) в заявляемом ДУ будут близки к нулю. Данный аналитический вывод подтверждается экспериментом. То есть к выходам 16 и 17 ДУ фиг.2 можно присоединить (без потери эффективности использования напряжения питания) входы 3 и 4 такого же ДУ и увеличить общий К_у такой двухкаскадной структуры. В классических структурах это невозможно.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом «Додека», 2001.- 560 с.

2. Патент США №3.786.362

3. Патент США №4.030.044

4. Патент США №4.059.808, фиг.5

5. Патент США №4.286.227

6. Авт.свид. СССР №375754, H03f 3/38

7. Авт.свид. СССР №843164, H03f 3/30

8. Патент США №3.660.773

9. Патент США №4.560.948

10. Патент РФ №2930041, H03f 1/32

11. Патент Японии №57-5364, H03f 3/343

12. Патент ЧССР №134845, кл. 21а² 18/08

13. Патент ЧССР №134849, кл. 21а² 18/08

14. Патент ЧССР №135326, кл. 21а² 18/08

15. Патент США №4.389.579

16. Патент Англии №1543361, НЗТ

17. Патент США №5.521.552 (фиг.3а)

18. Патент США №4.059.808

19. Патент США №5.789.949

20. Патент США №4.453.134

21. Патент США №4.760.286

22. Авт.свид. СССР №1283946

23. Патент РФ №2019019

24. Патент США №4.389.579

25. Патент США №4.453.092

26. Патент США №3.566.289

27. Патент США №4.059.808 (фиг.2)

28. Патент США №3.649.926

29. Патент США №4.714.894 (фиг.1).