Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2455758

(19)

RU

(11)

2455758

(13)

C1

(51) МПК H03F3/45 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011112746/08, 01.04.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

01.04.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 01.04.2011

(45) Опубликовано: 10.07.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: US 6590452 В1, 08.07.2003. US 3569848 А, 09.03.1971. ЕР 0295221 А2, 14.12.1988. RU 2354041 С1, 27.04.2009.

Адрес для переписки:

346500, Ростовская обл., г. Шахты, ул. Шевченко, 147, ЮРГУЭС, Патентная служба

(72) Автор(ы):

Прокопенко Николай Николаевич (RU),

Серебряков Александр Игоревич (RU),

Белич Сергей Сергеевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

(54) КАСКОДНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(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. Технический результат - повышение предельного коэффициента усиления по напряжению К у . Каскодный дифференциальный усилитель содержит входной дифференциальный каскад, первый выходной транзистор, токовое зеркало, первый дополнительный транзистор, первый токостабилизирующий двухполюсник, дополнительный токостабилизирующий двухполюсник, буферный усилитель. 8 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.

В современной микроэлектронике широко используются дифференциальные операционные усилители (ОУ), реализованные на основе так называемых «перегнутых» каскодов [1-11]. При малых напряжениях питания и жестких ограничениях на диапазон изменения выходного напряжения, который должен быть как можно более близким к сумме , в известных ОУ коэффициент усиления по напряжению (К у ) получается небольшим. В значительной степени это связано с шунтирующим влиянием на К у выходного сопротивления классического источника опорного тока, связанного с высокоимпедансным узлом схемы ОУ.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является классический операционный усилитель на основе «перегнутого» каскода, представленный в патенте US 3.569.848, fig.7-A1. Он содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 6, коллектор соединен со входом буферного усилителя 7 и через токостабилизирующий двухполюсник 8 соединен с первой 4 шиной источника питания, токовое зеркало 9, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан со вторым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и эмиттеру первого 5 выходного транзистора.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он имеет недостаточно высокий предельный коэффициент усиления по напряжению (К у ), который измеряется при сопротивлении нагрузки .

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельного коэффициента усиления по напряжению К у .

Поставленная задача решается тем, что в каскодном дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 6, коллектор соединен со входом буферного усилителя 7 и через токостабилизирующий двухполюсник 8 соединен с первой 4 шиной источника питания, токовое зеркало 9, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан со вторым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и эмиттеру первого 5 выходного транзистора, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введен первый 11 дополнительный транзистор, эмиттер которого связан по переменному току с первой 4 шиной источника питания через дополнительный 12 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор подключен ко входу токового зеркала 9, а база связана по переменному току с выходом буферного усилителя 7.

На фиг.1 представлена схема ДУ-прототипа. Схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения показана на фиг.2.

На фиг.3 показан заявляемый ДУ с частным вариантом построения токостабилизирующих двухполюсников 8 и 12, которые реализуются здесь на транзисторах 17 и 16 и элементах цепи смещения 18 и 19.

На фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферного усилителя 7.

На фиг.5 представлена схема ДУ фиг.3, в котором буферный усилитель 7 реализован на основе транзистора 27 и источника опорного тока 26.

На фиг.6 показана схема ДУ-прототипа в среде Cadence на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.7 представлена схема предлагаемого ДУ в среде Cadence на моделях ФГУП НПП «Пульсар».

На фиг.8 показана логарифмическая амплитудно-частотная характеристика коэффициента усиления по напряжению сравниваемых схем фиг.6 и фиг.7.

Каскодный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит входной дифференциальный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения 6, коллектор соединен со входом буферного усилителя 7 и через токостабилизирующий двухполюсник 8 соединен с первой 4 шиной источника питания, токовое зеркало 9, согласованное со второй 10 шиной источника питания, вход которого связан со вторым 2 токовым выходом входного дифференциального каскада 1, а выход подключен ко второму 3 токовому выходу входного дифференциального каскада 1 и эмиттеру первого 5 выходного транзистора. В схему введен первый 11 дополнительный транзистор, эмиттер которого связан по переменному току с первой 4 шиной источника питания через дополнительный 12 токостабилизирующий двухполюсник, коллектор подключен ко входу токового зеркала 9, а база связана по переменному току с выходом буферного усилителя 7.

В схеме фиг.2 входной дифференциальный каскад реализован на входных транзисторах 13, 14 и источнике тока 15.

В схемах ДУ фиг.3, фиг.4, фиг.5 токостабилизирующие двухполюсники 12 и 8 реализованы соответственно на транзисторах 16 и 17, статический режим которых устанавливается цепью смещения на основе p-n перехода 19 и источника тока 18.

Кроме этого, в ДУ фиг.4 буферный усилитель 7 реализован на основе так называемых комплементарных «бриллиантовых» эмиттерных повторителей, которые содержат биполярные транзисторы 20, 21, 22, 23 и источники опорного тока 24, 25.

В частном случае в ДУ фиг.5 буферный усилитель 7 содержит входной транзистор 27 и источник опорного тока 26.

Эмиттеры У 8 и У 12 в схемах фиг.4, фиг.5 модернизируют выходные проводимости токостабилизирующих двухполюсников 8 и 12 при их реализации на транзисторах.

Рассмотрим работу заявляемого ДУ фиг.2.

Изменение напряжения u A в высокоимпедансном узле «А» вызывает, с одной стороны, приращение тока i 8 через двухполюсник 8, а с другой - изменение тока i 12 через двухполюсник 12

где , - дифференциальное сопротивления двухполюсников 8 и 12;

u э11 =u вых u A - приращение напряжения на двухполюснике 12.

Приращение тока i 12 поступает в эмиттер (i э11 ), а затем коллектор (i к11 ) транзистора 11, и далее на вход и выход (i пт.9 ) токового зеркала 9:

где 11 1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 11;

К i12.9 =1 - коэффициент усиления по току токового зеркала 9.

Поэтому коллекторный ток транзистора 5

где 5 1 - коэффициент усиления по току эмиттера транзистора 5.

Как следствие, эффективная проводимость в узле «А» (у эф.А ) существенно уменьшается, а коэффициент усиления по напряжению (К у ) предлагаемого ДУ возрастает:

где S - крутизна усиления со входа ДУ к узлу «А».

В ДУ-прототипе:

Поэтому заявляемый ОУ имеет более высокий (в N у -раз) коэффициент усиления по напряжению:

Если учесть, что 5 1, 11 1, К i12.9 1, у 12 у 8 , то реальный выигрыш по К у может достигать одного-двух порядков, что подтверждают результаты компьютерного моделирования фиг.8.

Таким образом, заявляемое устройство обладает существенными преимуществами в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент США 3.569.8486 fig.7-A1.

2. Патент США 3.972.004, fig.3.

3. Патент США 4.511/857, fig.1.

4. Патент США 7.605.658, fig.5.

5. Патентная заявка США 2010/0271127, fig.1.

6. Патент США 4.406.990, fig.6.

7. Патент США 3.644.838, fig.1.

8. Патент США 4.959.622, fig.1b.

9. Патент США 6.448.853, fig.7.

10. Патент США 5.734.296, fig.3.

11. Патент США 6.483.382, fig.1.

Формула изобретения

Каскодный дифференциальный усилитель, содержащий входной дифференциальный каскад (1) с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, база которого соединена с источником вспомогательного напряжения (6), коллектор соединен со входом буферного усилителя (7) и через токостабилизирующий двухполюсник (8) соединен с первой (4) шиной источника питания, токовое зеркало (9), согласованное со второй (10) шиной источника питания, вход которого связан со вторым (2) токовым выходом входного дифференциального каскада (1), а выход подключен ко второму (3) токовому выходу входного дифференциального каскада (1) и эмиттеру первого (5) выходного транзистора, отличающийся тем, что в схему введен первый (11) дополнительный транзистор, эмиттер которого связан по переменному току с первой (4) шиной источника питания через дополнительный (12) токостабилизирующий двухполюсник, коллектор подключен ко входу токового зеркала (9), а база связана по переменному току с выходом буферного усилителя (7).

РИСУНКИ