Патент на изобретение №2331974

(54) ДИФФЕРИНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и связи для использования в качестве устройства усиления аналоговых сигналов в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления по напряжению. Дифференциальный усилитель (ДУ) содержит выходной дифференциальный каскад (1) с источником опорного тока (ИОТ) (2) в общей эмиттерной цепи, токовые выходы которого (3) и (4) соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов (Т), а также первым (7) и вторым (8) токостабилизирующими двухполюсниками (ТД), первый вспомогательный ИОТ (9), выполненный на основе вспомогательного Т (10), база которого связана с источником напряжения смещения (11), эмиттер через вспомогательный ТД (12) соединен с шиной источника питания (13), а коллектор подключен к общей точке соединения базы и коллектора первого выходного Т (5) и базы второго выходного Т (6), второй вспомогательный ИОТ (13), соединенный с коллектором Т (6) и базой третьего выходного Т (14), эмиттер которого соединен с нагрузкой (15) и выходом (16) ДУ. В схему введен дополнительный Т (17), база которого подключена к эмиттеру Т (10), эмиттер – к коллектору Т (14), а коллектор – к шине источника питания (18). 4 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 так называемых «перегнутых» каскадных дифференциальных усилителей (ДУ) на n-p-n- и p-n-p-транзисторах, которые стали основой более чем 20 серийных ОУ, выпускаемых как зарубежными (НА 2520, НА 5190, AD 797, AD 8631, AD 8632, ОР90 и др.), так и российскими (154УД3 и др.) микроэлектронными фирмами. В связи с высокой популярностью такой архитектуры ДУ на их модификации выдано более 100 патентов. Предлагаемое изобретение относится к данному подклассу устройств.

Одной из модификаций «перегнутых» каскадных усилителей является схема фиг.1, представленная в публикациях [1-11]. Она используется в ОУ ряда зарубежных фирм – НА2539, ОР-90, ОР-42, а также отечественных микросхемах 140УД30.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте США №5.734.296, содержащий входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, токовые выходы которого 3 и 4 соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а также первым 7 и вторым 8 токостабилизирующими двухполюсниками, первый вспомогательный источник опорного тока 9, выполненный на основе вспомогательного транзистора 10, база которого связана с источником напряжения смещения 11, эмиттер через вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник 12 соединен с шиной источника питания 13, а коллектор подключен к общей точке соединения базы первого выходного транзистора 5, коллектора первого выходного транзистора 5 и базы второго выходного транзистора 6, второй вспомогательный источник опорного тока 13, соединенный с коллектором второго выходного транзистора 6 и базой третьего выходного транзистора 14, эмиттер которого соединен с нагрузкой 15 и выходом дифференциального усилителя 16.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий предельный коэффициент усиления по напряжению (K_у.max).

Основная цель предлагаемого изобретения состоит в повышении коэффициента усиления по напряжению.

Поставленная цель достигается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, токовые выходы которого 3 и 4 соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а также первым 7 и вторым 8 токостабилизирующими двухполюсниками, первый вспомогательный источник опорного тока 9, выполненный на основе вспомогательного транзистора 10, база которого связана с источником напряжения смещения 11, эмиттер через вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник 12 соединен с шиной источника питания 13, а коллектор подключен к общей точке соединения базы первого выходного транзистора 5, коллектора первого выходного транзистора 5 и базы второго выходного транзистора 6, второй вспомогательный источник опорного тока 13, соединенный с коллектором второго выходного транзистора 6 и базой третьего выходного транзистора 14, эмиттер которого соединен с нагрузкой 15 и выходом дифференциального усилителя 16, предусмотрены новые элементы и связи – в схему введен дополнительный транзистор 17, база которого подключена к эмиттеру вспомогательного транзистора 10, эмиттер – к коллектору третьего выходного транзистора 14, а коллектор – к шине источника питания 18. Схема заявляемого устройства показана на фиг.2. На фиг.3 показана схема заявляемого (при подключении базы VT16 к эмиттеру VT13) и известного устройств в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар», а на фиг.4 – результаты компьютерного моделирования – амплитудно-частотные характеристики.

Дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с источником опорного тока 2 в общей эмиттерной цепи, токовые выходы которого 3 и 4 соединены с эмиттерами первого 5 и второго 6 выходных транзисторов, а также первым 7 и вторым 8 токостабилизирующими двухполюсниками, первый вспомогательный источник опорного тока 9, выполненный на основе вспомогательного транзистора 10, база которого связана с источником напряжения смещения 11, эмиттер через вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник 12 соединен с шиной источника питания 13, а коллектор подключен к общей точке соединения базы первого выходного транзистора 5, коллектора первого выходного транзистора 5 и базы второго выходного транзистора 6, второй вспомогательный источник опорного тока 13, соединенный с коллектором второго выходного транзистора 6 и базой третьего выходного транзистора 14, эмиттер которого соединен с нагрузкой 15 и выходом дифференциального усилителя 16. В схему введен дополнительный транзистор 17, база которого подключена к эмиттеру вспомогательного транзистора 10, эмиттер – к коллектору третьего выходного транзистора 14, а коллектор – к шине источника питания 18.

Рассмотрим работу заявляемого устройства.

Коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа фиг.1 существенно зависит от величины эквивалентного сопротивления (проводимости у_э) в коллекторной цепи транзистора 6:

где – крутизна усиления сигнала со входов ДУ в цепь коллектора транзистора 6.

Проводимость у_э складывается из трех составляющих – выходной проводимости транзистора 6 (у₆), выходной проводимости источника опорного тока 13 (у₁₃) и входной проводимости по цепи базы транзистора 14 (у14):

При низкоомной нагрузке R_н в эмиттерной цепи транзистора 14 преобладает составляющая у₁₄, поэтому предельный коэффициент усиления по напряжению ДУ-прототипа

где ₁₄ – коэффициент усиления по току базы транзистора 14.

В заявляемом ДУ фиг.2 введен транзистор 17, который обеспечивает передачу в цепь коллектора транзистора 6 (в противофазе i_б14) тока базы транзистора 17, равного току базы транзистора 14. В результате эффективная проводимость у_э уменьшается до уровня

где

_n=0,96-0,99 – коэффициент усиления по току эмиттера n-го транзистора.

При идентичных транзисторах 14 и 17 (₁₄=_l7>>1) и R7=R8 коэффициент Т_i принимает значение

Поэтому выигрыш по К_у.max, который дает предлагаемое техническое решение

Полученные выше выводы подтверждаются результатами моделирования предлагаемой схемы в среде PSpice (фиг.4) – заявляемый усилитель имеет в 10 раз более высокий коэффициент усиления по напряжению (на 22 дБ).

Источники информации

1. Патент США №4.600.893.

2. Операционные усилители и компараторы [Текст]. – М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2001. – С.243-244.

3. Матавкин В.В. Быстродействующие операционные усилители [Текст]. / В.В.Матавкин. – М.: «Радио и связь», 1989.

4. Патент США №6.456.162.

5. Патент США №6.501.333.

6. Патент США №6.542.030.

7. Патент США №4.293.824.

8. Патент США №5.734.296.

9. Патент США №5.420.540.

10. Патент США №5.523.718.

11. Патент США №4.644.295.

Формула изобретения

Дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с источником опорного тока (2) в общей эмиттерной цепи, токовые выходы которого (3) и (4) соединены с эмиттерами первого (5) и второго (6) выходных транзисторов, а также первым (7) и вторым (8) токостабилизирующими двухполюсниками, первый вспомогательный источник опорного тока (9), выполненный на основе вспомогательного транзистора (10), база которого связана с источником напряжения смещения (11), эмиттер через вспомогательный токостабилизирующий двухполюсник (12) соединен с шиной источника питания (13), а коллектор подключен к общей точке соединения базы первого выходного транзистора (5), коллектора первого выходного транзистора (5) и базы второго выходного транзистора (6), второй вспомогательный источник опорного тока (13), соединенный с коллектором второго выходного транзистора (6) и базой третьего выходного транзистора (14), эмиттер которого соединен с нагрузкой (15) и выходом (16) дифференциального усилителя, отличающийся тем, что в схему введен дополнительный транзистор (17), база которого подключена к эмиттеру вспомогательного транзистора (10), эмиттер – к коллектору третьего выходного транзистора (14), а коллектор – к шине источника питания (18).

РИСУНКИ