×
10.05.2018
218.016.4896

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к устройствам усиления широкополосных сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления по току ДУТ при сохранении у него опции rail-to-rail. Дифференциальный усилитель токов содержит первый, второй, третий и четвертый дополнительные транзисторы, затвор первого дополнительного транзистора соединен с первым токовым входом устройства, затвор второго дополнительного транзистора соединен со вторым (2) токовым входом устройства, стоки первого и второго дополнительных транзисторов согласованы с первой шиной источника питания, сток третьего дополнительного транзистора соединен с затвором первого выходного транзистора и истоком первого вспомогательного транзистора, сток четвертого дополнительного транзистора соединен с затвором второго выходного транзистора и истоком второго вспомогательного транзистора, причем истоки первого и второго дополнительных транзисторов подключены к затворам третьего и четвертого дополнительных транзисторов, а истоки третьего и четвертого дополнительных транзисторов связаны со второй шиной источника питания. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве устройств усиления широкополосных сигналов.

В современных аналоговых микросхемах находят широкое применение дифференциальные усилители токов (ДУТ), выполненные на основе двух токовых зеркал [1-19]. Данное схемотехническое решение является основой многих подклассов операционных усилителей, стабилизаторов напряжения, компараторов и т.п. [20].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является дифференциальный усилитель тока (входной каскад операционного усилителя (ОУ) по патенту US 8.130.038, fig. 2, а также схема ДУТ по патенту US 7.701.290, fig. 6). Он содержит (фиг. 1) первый 1 и второй 2 токовые входы, связанные с соответствующими выходами дифференциального источника сигнала 3, согласованного с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен к первому 1 токовому входу, второй 6 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен ко второму 2 токовому входу, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с первым 8 токовым выходом устройства, а исток подключен ко второй 9 шине источника питания, второй 10 выходной транзистор, сток которого подключен ко второму 11 токовому выходу устройства, а исток соединен со второй 9 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУТ состоит в том, что он имеет невысокий дифференциальный коэффициент усиления по току, который на практике определяется отношением площадей первого 5 вспомогательного и первого 7 выходного транзисторов (второго 6 вспомогательного и второго 10 выходного транзисторов). Как следствие, на базе известного ДУТ не реализуются, например, операционные усилители с повышенным коэффициентом усиления.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по току ДУТ при сохранении у него опции rail-to-rail.

Поставленная задача достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг. 1, содержащем первый 1 и второй 2 токовые входы, связанные с соответствующими выходами дифференциального источника сигнала 3, согласованного с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен к первому 1 токовому входу, второй 6 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен ко второму 2 токовому входу, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с первым 8 токовым выходом устройства, а исток подключен ко второй 9 шине источника питания, второй 10 выходной транзистор, сток которого подключен ко второму 11 токовому выходу устройства, а исток соединен со второй 9 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 дополнительные транзисторы, затвор первого 12 дополнительного транзистора соединен с первым 1 токовым входом устройства, затвор второго 13 дополнительного транзистора соединен со вторым 2 токовым входом устройства, стоки первого 12 и второго 13 дополнительных транзисторов согласованы с первой 4 шиной источника питания, сток третьего 14 дополнительного транзистора соединен с затвором первого 7 выходного транзистора и истоком первого 5 вспомогательного транзистора, сток четвертого 15 дополнительного транзистора соединен с затвором второго 10 выходного транзистора и истоком второго 6 вспомогательного транзистора, причем истоки первого 12 и второго 13 дополнительных транзисторов подключены к затворам третьего 14 и четвертого 15 дополнительных транзисторов, а истоки третьего 14 и четвертого 15 дополнительных транзисторов связаны со второй 9 шиной источника питания.

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

На чертеже фиг. 3, соответствующем п.3 и 4 формулы изобретения, показана схема включения заявляемого ДУТ с конкретным выполнением дифференциального источника сигнала 3.

На чертеже фиг. 4 приведена схема включения ДУТ-прототипа в структуре операционного усилителя с опцией rail-to-rail, для которой было проведено сравнительное (с фиг. 3) компьютерное моделирование разомкнутого коэффициента усиления.

На чертеже фиг. 5 показаны результаты сравнительного моделирования амплитудно-частотной характеристики схемы ОУ с ДУ-прототипом (фиг. 4) и схемы ОУ с заявляемым ДУТ (фиг. 3). Моделирование осуществлялось в среде Cadence на моделях транзисторов XFab для случая, когда сравниваемые ОУ имели 100% отрицательную обратную связь, а также для разомкнутого включения ОУ.

На чертеже фиг. 6 приведена зависимость напряжения смещения нуля (Vos) ОУ фиг. 3 на основе предлагаемого ДУТ от температуры (-140С÷+120С).

Дифференциальный усилитель токов фиг. 2 содержит первый 1 и второй 2 токовые входы, связанные с соответствующими выходами дифференциального источника сигнала 3, согласованного с первой 4 шиной источника питания, первый 5 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен к первому 1 токовому входу, второй 6 вспомогательный транзистор, затвор которого соединен со стоком и подключен ко второму 2 токовому входу, первый 7 выходной транзистор, сток которого соединен с первым 8 токовым выходом устройства, а исток подключен ко второй 9 шине источника питания, второй 10 выходной транзистор, сток которого подключен ко второму 11 токовому выходу устройства, а исток соединен со второй 9 шиной источника питания. В схему введены первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 дополнительные транзисторы, затвор первого 12 дополнительного транзистора соединен с первым 1 токовым входом устройства, затвор второго 13 дополнительного транзистора соединен со вторым 2 токовым входом устройства, стоки первого 12 и второго 13 дополнительных транзисторов согласованы с первой 4 шиной источника питания, сток третьего 14 дополнительного транзистора соединен с затвором первого 7 выходного транзистора и истоком первого 5 вспомогательного транзистора, сток четвертого 15 дополнительного транзистора соединен с затвором второго 10 выходного транзистора и истоком второго 6 вспомогательного транзистора, причем истоки первого 12 и второго 13 дополнительных транзисторов подключены к затворам третьего 14 и четвертого 15 дополнительных транзисторов, а истоки третьего 14 и четвертого 15 дополнительных транзисторов связаны со второй 9 шиной источника питания.

В частном случае в качестве дифференциального источника сигнала 3 в схеме фиг. 2 могут использоваться дифференциальные датчики тока, а также классические дифференциальные каскады со входами 17 и 18, применяемые, например, в операционных усилителях и стабилизаторах напряжения и т.п.

На чертеже фиг. 2, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, истоки первого 12 и второго 13 дополнительных транзисторов связаны со второй 9 шиной источника питания через токостабилизирующий двухполюсник 16. В частном случае, в качестве токостабилизирующего двухполюсника могут применяться резисторы, источники опорного тока, а также полевые транзисторы с объединенными выводами стока и затвора (фиг. 3).

На чертеже фиг. 3, в соответствии с п. 3 формулы изобретения, первый 8 токовый выход устройства подключен ко входу дополнительного токового зеркала 19, согласованного с первой 4 шиной источника питания, выход которого подключен ко второму 11 токовому выходу устройства.

Кроме этого, на чертеже фиг.3, в соответствии с п. 4 формулы изобретения, второй 11 токовый выход устройства соединен со входом дополнительного буферного усилителя 20, выход которого 21 является дополнительным потенциальным выходом устройства.

На чертеже фиг. 3 первый 8 токовый выход устройства подключен ко входу дополнительного токового зеркала 19 через цепь согласования потенциалов 22, способствующую уменьшению нулевого уровня ОУ.

В схеме фиг. 3 дифференциальный источник сигнала 3 реализован в частном случае на полевых транзисторах 23, 24, 25, 26, затворы которых являются входами 27, 28, 29 и 30 мультидифференциального операционного усилителя на основе заявляемого ДУТ.

Рассмотрим работу ДУТ в схеме фиг. 3.

Особенность ДУТ фиг. 3 состоит в том, что в нем обеспечивается стабилизация статического режима за счет введения отрицательной обратной связи по синфазному сигналу, который выделяется на входах 1 и 2. В результате в схеме фиг. 3 при идентичных полевых транзисторах устанавливаются следующие уровни статических токов стоков первого 5 и второго 6 вспомогательных транзисторов, третьего 14 и четвертого 15 дополнительных транзисторов, а также первого 7 и второго 10 выходных транзисторов:

Iс5=Iс6=I0, Ic14=Ic15=I0, Iс7=Iс10=I0,

где I0 - статический ток первого 1 и второго 2 токовых входов, который задается дифференциальным источником сигнала 3.

Повышенный коэффициент усиления по току в схеме рис. 3 реализуется благодаря высокому значению эквивалентного сопротивления на первом 1 и втором 2 токовых входах:

где S14, S15 - крутизна стокозатворной характеристики соответствующих полевых транзисторов (14, 15),

μ14, μ15 _ коэффициенты внутренней обратной связи соответствующих транзисторов (14, 15), характеризующие влияние напряжения на стоке на напряжение затвор-исток (μ=ΔUзи/ΔUсз при Iи=const).

Как следствие, коэффициент усиления по току предлагаемого ДУТ существенно возрастает

Если считать, что μ14≈μ15≈10-2, то при S7=S14, S10=S15 из (3), (4) получаем, что теоретическое значение Ki1≈Ki2≈100. Заметим, что в ДУ-прототипе Ki=l.

Как показывает эксперимент (фиг. 5), предлагаемый дифференциальный усилитель токов имеет (в сравнении с прототипом) на 30 дБ более высокий коэффициент усиления, а также характеризуется повышенной верхней граничной частотой при 100% обратной связи, которая в 8 раз выше аналогичного параметра ДУТ-прототипа.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известным техническим решением.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.008.667, fig. 1.

2. Патентная заявка US 2008/0278232, fig. 1, fig. 3.

3. Патент US 6.429.735.

4. Патентная заявка US 2005/0017809.

5. Патент US 7.405.622, fig. 3.

6. Патентная заявка US 2006/0226908.

7. Патентная заявка US 2008/0079491, fig. 1.

8. Патентная заявка US 2004/0189386.

9. Патентная заявка US 2004/0174216, fig. 1.

10. Патентная заявка US 2003/0206060, fig. 1.

11. Патент US 6.794.940, fig. 9.

12. Патент US 5.831.480.

13. Патентная заявка US 2006/0226877, fig. 3.

14. Патентная заявка US 2010/0301917, fig. 3.

15. Патент US 8.130.038.

16. Патентная заявка US 2003/0076163, fig. 2.

17. Патентная заявка US 2003/0132803, fig. 4.

18. Патент US 7.183.852, fig. 3.

19. Патентная заявка US 2009/0237163.

20. Эннс В.И., Кобзев Ю.М. Проектирование аналоговых КМОП-микросхем. Краткий справочник разработчика /Под редакцией канд. техн. наук В.И. Эннса. - М.: Горячая линия-Телеком. - 2005. - 454 с.-С. 207. - Рис. 3.82


ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ ТОКОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 186.
13.01.2017
№217.015.8dc0

Способ штамповки деталей из металлов и сплавов и пресс для его осуществления

Изобретение относится к области обработки давлением и может быть использовано для выполнения технологических операций штамповки эластичным пуансоном при изготовлении несимметричных деталей сложной формы толщиной 0,01-0,3 мм. На заготовку воздействуют статической нагрузкой до получения...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605011
Дата охранного документа: 20.12.2016
13.01.2017
№217.015.90ce

Микроконтроллерный измерительный преобразователь для резистивных и емкостных датчиков с передачей результата преобразования по радиоканалу

Изобретение относится измерительным информационным системам, в частности к системам для измерения емкости и сопротивления и может быть использовано для измерения неэлектрических величин резистивными и емкостными датчиками в беспроводных системах контроля и управления. Микроконтроллерный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002603937
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9131

Универсальный набор для строительства малоэтажных зданий и сооружений

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при возведении малоэтажных зданий различных конструктивных систем. Цель изобретения - создание универсального набора элементов, который может использоваться во всех трех системах: брусчатой, стоечной и легкокаркасной, при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605654
Дата охранного документа: 27.12.2016
25.08.2017
№217.015.9a08

Способ создания гидроизоляции

Изобретение относится к строительству, а именно к созданию вертикальной и горизонтальной гидроизоляции фундаментов, стен, и может быть использовано при возведении новых, а также реконструкции (восстановлении) существующих зданий и сооружений. Способ создания гидроизоляции включает...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002609511
Дата охранного документа: 02.02.2017
25.08.2017
№217.015.9f09

Бетонная смесь

Изобретение относится к составам мелкозернистых бетонных смесей, в том числе песчаных, используемых для изготовления бетонных и железобетонных изделий и конструкций. Технический результат - снижение расхода цемента и повышение трещиностойкости песчаного бетона после тепловлажностной обработки....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002606147
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.af78

Конструкция усиления железобетонной многопустотной плиты перекрытия

Изобретение относится к строительству, в частности, к конструкциям усиления железобетонных многопустотных плит перекрытия, доступ к которым сверху невозможен, например, плит перекрытия, используемых преимущественно в зданиях с совмещенной кровлей. Техническим результатом является увеличение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610951
Дата охранного документа: 17.02.2017
25.08.2017
№217.015.b31a

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов

Устройство терминального управления на основе вариационных принципов содержит блок отношения, пять блоков сумматоров, четырнадцать блоков умножения, блок вычисления производной, блок линии задержки, вход эталонного сигнала, блок хранения констант, соединенных определенным образом....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613623
Дата охранного документа: 21.03.2017
25.08.2017
№217.015.b65e

Устройство объединения медицинских изображений

Изобретение относится к информационно-измерительным устройствам и может быть использовано в вычислительной технике, в системах управления и обработки сигналов. Техническим результатом является обеспечение объединенного изображения со сглаженными границами перехода. Устройство содержит: регистр...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614545
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.b96a

Биполярно-полевой мультидифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники. Технический результат: повышение коэффициента усиления по напряжению разомкнутого мультидифференциального операционного усилителя при сохранении высокой стабильности нулевого уровня. Для этого предложен биполярно-полевой мультидифференциальный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615071
Дата охранного документа: 03.04.2017
25.08.2017
№217.015.b973

Прецизионный двухкаскадный дифференциальный операционный усилитель

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в качестве прецизионного устройства усиления сигналов. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления дифференциального сигнала в разомкнутом состоянии двухкаскадного ОУ до уровня 90÷400 дБ....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002615070
Дата охранного документа: 03.04.2017
Показаны записи 1-10 из 216.
20.04.2014
№216.012.bb74

Быстродействующий аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат заключается в расширении в несколько раз предельного частотного диапазона обрабатываемых входных сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002513716
Дата охранного документа: 20.04.2014
10.05.2014
№216.012.c282

Быстродействующий драйвер дифференциальной линии связи

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых сигналов, в структуре «систем на кристалле» и «систем в корпусе» различного функционального назначения (например, операционных усилителей, работающих на...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002515543
Дата охранного документа: 10.05.2014
27.05.2014
№216.012.cacc

Быстродействующий датчик физических величин с потенциальным выходом

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и автоматики и может быть использовано в датчиках, обеспечивающих измерение различных физических величин. Техническим результатом является повышение быстродействия датчика за счет минимизации влияния внутренней емкости 2...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517682
Дата охранного документа: 27.05.2014
27.05.2014
№216.012.cadc

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов

Широкополосный аттенюатор для быстродействующих аналоговых и аналого-цифровых интерфейсов относится к области измерительной техники, электротехники, радиотехники и связи и может использоваться в структуре различных интерфейсов, в измерительных приборах, быстродействующих аналого-цифровых (АЦП)...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002517698
Дата охранного документа: 27.05.2014
10.06.2014
№216.012.cfea

Сверхбыстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным входом

Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники, радиотехники и связи. Технический результат: расширение в несколько раз частотного диапазона обрабатываемых сигналов АЦП за счет снижения погрешности передачи входных дифференциальных напряжений от источников входных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002518997
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d149

Управляемый усилитель и смеситель аналоговых сигналов на базе дифференциального каскада дарлингтона

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в радиоприемных устройствах, фазовых детекторах и модуляторах, а также в системах умножения частоты или в качестве усилителя, коэффициент передачи по напряжению которого с входов канала «X» зависит от...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519348
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d190

Широкополосный повторитель напряжения

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является расширение диапазона рабочих частот широкополосного повторителя напряжения при наличии емкости на выходе С, которая не может быть уменьшена по объективным причинам - является неотъемлемой частью цепи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519419
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.06.2014
№216.012.d19a

Измерительный усилитель с управляемыми параметрами амплитудно-частотной характеристики

Изобретение относится к области измерительной техники, радиотехники и связи и может использоваться в устройствах фильтрации радиосигналов, телевидении, радиолокации. Технический результат заключается в увеличении затухания выходного сигнала в диапазоне низких частот при повышенной и достаточно...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002519429
Дата охранного документа: 10.06.2014
10.07.2014
№216.012.dbc8

Быстродействующий драйвер емкостной нагрузки

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления и преобразования аналоговых и цифровых импульсных сигналов в устройствах различного функционального назначения, работающих на емкостную нагрузку. Достигаемый технический результат -...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522042
Дата охранного документа: 10.07.2014
20.07.2014
№216.012.e026

Компенсационный стабилизатор напряжения

Устройство относится к области электротехники. Технический результат заключается в получении температурно-стабильного выходного напряжения и снижении минимальной разности напряжения вход-выход стабилизатора. Для этого предложен стабилизатор напряжения, содержащий первый и второй транзисторы,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002523168
Дата охранного документа: 20.07.2014
+ добавить свой РИД