Патент на изобретение №2292637

(54) ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ С ПОВЫШЕННЫМ ОСЛАБЛЕНИЕМ СИНФАЗНОГО СИГНАЛА

(57) Реферат:

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. Технический результат заключается в повышении коэффициента ослабления входного синфазного сигнала. Дифференциальный усилитель (ДУ) (фиг.2) содержит включенные параллельно по входу два дифференциальных каскада на n-p-n транзисторах (Т) (1, 2) с токостабилизирующим двухполюсником (ТД) (4) в общей эмиттерной цепи и с токовыми выходами (11, 12) и на p-n-p Т (5, 6) с ТД (8) и токовыми выходами (13, 14). В ДУ ведены первый (15) и второй (16) делители тока, входы которых (17) и (18) соединены со вторыми выводами (19) и (20) второго (8) и первого (4) ТД, причем первый (21) и второй (22) выходы первого делителя тока (15) связаны соответственно с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами ДУ, первый (23) и второй (24) выходы второго делителя тока (16) соединены с третьим (13) и четвертым (14) токовыми выходами ДУ. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

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)).

Известны схемы дифференциальных усилителей (ДУ), реализованных на основе двух параллельно включенных (по входу) дифференциальных каскадов (ДК) с токостабилизирующими двухполюсниками в эмиттерных цепях входных транзисторов (так называемые «dual input stage») [1-25]. По такой архитектуре, на модификации которой и на ее применение выдано около 100 патентов различных стран, выполнены операционные усилители ведущих микроэлектронных фирм (AD8631, AD8632, НА2539 и др.). Причем в качестве токостабилизирующих двухполюсников каждого из параллельно включенных ДК таких ДУ применяются резисторы [9-10] – если усилитель не работает с синфазным сигналом, или источники опорного тока на транзисторах – если входные сигналы имеют синфазную составляющую. Первый вариант построения ДУ практически не используется в структуре операционных усилителей, т.к. он не дает приемлемых значений коэффициента ослабления входного синфазного сигнала (К_ос.сф). Это связано с тем, что для получения больших значений К_ос.сф необходимо выбирать сопротивление токостабилизирующих резисторов на уровне сотен килом, что создает проблемы со статическим режимом при низковольтном питании. В технической литературе по аналоговой схемотехнике хорошо известно следующее правило построения ДУ – «в качестве токостабилизирующих двухполюсников ДУ не следует применять резисторы» (Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей, М., Радиософт, 2002. – С.81, 3 абзац сверху). С другой стороны, второй вариант построения ДУ также имеет ряд недостатков, связанных с уменьшением надежности схемы при радиационных и тепловых воздействиях, а также с наличием паразитной емкости на подложку у транзисторов ДУ, что ухудшает частотный диапазон. Кроме того, в практических схемах известных ДУ коэффициент К_ос.сф оказывается также небольшим в связи с тем, что выходное сопротивление простейших токостабилизирующих двухполюсников на основе токовых зеркал оказывается также небольшим (30-100 кОм).

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №3968451, H 03 F 3/45, а также в патенте США №3974455, содержащий первый 1 и второй 2 n-p-n транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу 3 первого 4 токостабилизирующего двухполюсника, первый 5 и второй 6 p-n-p транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу 7 второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем базы первых 1, 5 транзисторов связаны друг с другом и первым входом 9 дифференциального усилителя, базы вторых транзисторов 2, 6 связаны друг с другом и вторым входом 10 дифференциального усилителя, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены соответственно с первым 11 и вторым 12 токовыми выходами дифференциального усилителя, коллекторы первого 5 и второго 6 p-n-p транзисторов соединены соответственно с третьим 13 и четвертым 14 токовыми выходами дифференциального усилителя.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет невысокое ослабление входных синфазных сигналов. В значительной степени этот недостаток проявляется при использовании в качестве токостабилизирующих двухполюсников-резисторов.

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента ослабления входных синфазных сигналов. При этом в качестве токостабилизирующих двухполюсников авторы рекомендуют применять резисторы.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальный усилитель фиг.1, содержащий первый 1 и второй 2 n-p-n транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу 3 первого 4 токостабилизирующего двухполюсника, первый 5 и второй 6 p-n-p транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу 7 второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем базы первых 1, 5 транзисторов связаны друг с другом и первым входом 9 дифференциального усилителя, базы вторых транзисторов 2, 6 связаны друг с другом и вторым входом 10 дифференциального усилителя, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены соответственно с первым 11 и вторым 12 токовыми выходами дифференциального усилителя, коллекторы первого 5 и второго 6 p-n-p транзисторов соединены соответственно с третьим 13 и четвертым 14 токовыми выходами дифференциального усилителя, вводятся новые элементы связи – первый 15 и второй 16 делители тока, входы которых 17 и 18 соединены со вторыми выводами 19 и 20 второго 8 и первого 4 токостабилизирующих двухполюсников, причем первый 21 и второй 22 выходы первого делителя тока 15 связаны соответственно с первым 11 и вторым 12 токовыми выходом дифференциального усилителя, первый 23 и второй 24 выходы второго делителя тока 16 соединены с третьим 13 и четвертым 14 токовыми выходами дифференциального усилителя.

Схема заявляемого устройства в соответствии с п.1 формулы изобретения показана на фиг.2.

На фиг.3 и фиг.4 представлены частные варианты построения первого 15 и второго 16 делителей тока. На фиг.5 представлена схема фиг.2, в которой делители тока 15 и 16 реализованы в соответствии с фиг.3.

На фиг.6 и фиг.7 приведены схемы известного (фиг.6) и заявляемого (фиг.7) ДУ в среде PSpice на транзисторах ФГУП «Пульсар», которые исследовались авторами при подаче на входы синфазного сигнала с амплитудой 1В.

Характеристики на чертеже фиг.8 показывают зависимость крутизны S_сф преобразования входного синфазного сигнала u_c в ток выхода 11

Очевидно, что для идеального ДУ должно быть S_сф=0.

График фиг.9 показывает, во сколько раз крутизна S_сф известного ДУ больше, т.е. хуже, чем крутизна заявляемого устройства в широком частотном диапазоне

Рассмотрим работу заявляемого устройства (фиг.2) при изменении синфазного сигнала u_c=u_c1=u_c2, который практически с единичным коэффициентом передается в общие эмиттерные цепи (узлы 7 и 3) транзисторов 5 и 6, 1 и 2:

Это приводит к изменению токов через двухполюсники 8 и 4

где y₈, y₄ – проводимости двухполюсников 8 и 4.

Уравнения (2) получены при условии, что входные сопротивления делителей тока 15 и 16 относительно входов 17 и 18 значительно меньше, чем сопротивления двухполюсников 8 и 4.

Приращения токов i₈ и i₄ передаются, с одной стороны, в цепь коллекторов транзистора 1-5, а с другой – с коэффициентами передачи K_i15.1, K_i15.2, K_i16.1, К_i16.2 – на соответствующие выходы делителей тока 15 и 16

Поэтому выходные токи дифференциального усилителя

Из последних формул следует, что при выполнении следующих условий

выходные токи ДУ, обусловленные наличием на его входах синфазного сигнала, будут равны нулю. Это свидетельствует о высоком ослаблении синфазных сигналов в ДУ фиг.2.

В усилителе-прототипе крутизна преобразования u_c, например, в выходной ток ДУ i₁₁

Таким образом, выигрыш по ослаблению передачи на выход входного синфазного напряжения u_c, который дает заявляемое устройство, равен

Полученные выше теоретические результаты хорошо совпадают с результатами компьютерного моделирования заявляемого и известного ДУ (фиг.8).

Предлагаемый ДУ авторы рекомендуют использовать в операционных усилителях с так называемыми “перегнутыми” каскадами в промежуточном каскаде, которые имеют низкоомные входы, хорошо согласующиеся с токовыми выходами 11, 12, 13 и 14 заявляемого устройства.

Источники информации

1. Патент РФ №2193273, H 03 F 3/45.

2. Патент Японии №53-25232, H 03 F 3/26, 98(5) А332.

3. Патент US 2001/0052818 A1, H 03 F 3/45.

4. Патент Японии № JP 8222972.

5. Авт. свид. СССР №611288.

6. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители. – М.: Радио и связь, 1989. – стр.103, рис.6.11.

7. Патент США №6366170 B1, H 03 F/45.

8. Патент США №6268769, H 03 F/45.

9. Патент США №3974455, H 03 F/45.

10. Патент США №3968451, H 03 F/45.

11. Патент США №4837523, H 03 F/45.

12. Патент США №5291149, H 03 F/45.

13. Патент США №4636743, H 03 F/45.

14. Патент США №4783637, H 03 F/45.

15. Патент США №5515005, H 03 F/45.

16. Патент США №5291149, H 03 F/45.

17. Патент США №5140280, H 03 F/45.

18. Патент США №5455535, H 03 F/45.

19. Патент США №5523718, H 03 F/45.

20. Патент США №4600893, H 03 F/45.

21. Патент США №5153529.

22. Патент США №5420540, H 03 F/45.

23. Патент США №6191619, H 03 F/45.

24. Патент США №6844781, H 03 F/45.

25. Патент США №5512859, H 03 F/45.

Формула изобретения

1. Дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) и второй (2) n-p-n транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу (3) первого (4) токостабилизирующего двухполюсника, первый (5) и второй (6) p-n-p транзисторы, эмиттеры которых подключены к первому выводу (7) второго токостабилизирующего двухполюсника 8, причем базы первых (1), (5) транзисторов связаны друг с другом и первым входом (9) дифференциального усилителя, базы вторых транзисторов (2), (6) связаны друг с другом и вторым входом (10) дифференциального усилителя, коллекторы первого и второго n-p-n транзисторов соединены соответственно с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами дифференциального усилителя, коллекторы первого (5) и второго (6) p-n-p транзисторов соединены соответственно с третьим (13) и четвертым (14) токовыми выходами дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в схему введены первый (15) и второй (16) делители тока, входы которых (17) и (18) соединены со вторыми выводами (19) и (20) второго (8) и первого (4) токостабилизирующих двухполюсников, причем первый (21) и второй (22) выходы первого делителя тока (15) связаны соответственно с первым (11) и вторым (12) токовыми выходами дифференциального усилителя, первый (23) и второй (24) выходы второго делителя тока (16) соединены с третьим (13) и четвертым (14) токовыми выходами дифференциального усилителя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждый из делителей тока – первый (15) и второй (16) – содержат по два вспомогательных резистора (26) и (27), первые выводы которых объединены и соединены со входами (17) и (18) соответствующих делителей тока, а вторые выводы связаны с выходами (21), (22), (23), (24) делителей тока.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый делитель тока (15) содержит два вспомогательных p-n перехода (28) и (29), n-области которых соединены со входом (17) первого делителя тока (15), а p-области связаны с соответствующими выходами (21) и (22) первого делителя тока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что второй делитель тока (16) содержит два вспомогательных p-n перехода (30) и (31), p-области которых соединены со входом (18) второго делителя тока (16), а n-области связаны с соответствующими выходами (23) и (24) второго делителя тока.

РИСУНКИ