Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2475942

(19)

RU

(11)

2475942

(13)

C1

(51) МПК H03F3/34 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 18.02.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2012103439/08, 01.02.2012

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

01.02.2012

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 01.02.2012

(45) Опубликовано: 20.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: US 4,600,893, 15.07.1986. SU 1584075 A1, 07.08.1990. RU 2307454 C1, 27.09.2007. EP 0244973 A2, 11.11.1987.

Адрес для переписки:

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

(72) Автор(ы):

Прокопенко Николай Николаевич (RU),

Белич Сергей Сергеевич (RU),

Пахомов Илья Викторович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") (RU)

(54) ШИРОКОПОЛОСНЫЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и связи. Техническим результатом является обеспечение высокой стабильности статического режима дифференциального усилителя, повышение значения его коэффициента усиления по напряжению и верхней граничной частоты. Широкополосный дифференциальный усилитель содержит первый (1) входной каскад, первый (5) выходной транзистор, второй (8) выходной транзистор, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания. Коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор. 7 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 широкополосных усилителях, компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п.

Известны схемы широкополосных дифференциальных усилителей (ДУ) на основе «перегнутого» каскода с парафазным (дифференциальным) выходом, которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем [1-11].

Кроме того, ДУ данного класса активно применяются в структуре СВЧ-устройств, реализованных на базе SiGe-технологий. Это связано с возможностью построения на их основе активных RC-фильтров гигагерцового диапазона для современных и перспективных систем связи, мостовых усилителей мощности и т.п.

Ближайшим прототипом (фиг.1) заявляемого устройства является дифференциальный усилитель, описанный в патенте US 4.600.893, содержащий первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания.

Существенный недостаток известного ДУ состоит в том, что он не работоспособен из-за проблем со статическим режимом при высоких значениях коэффициента усиления по напряжению (К у ), зависящего от сопротивлений первого 10 (r 10 ) и второго 11 (r 11 ) токостабилизирующих двухполюсников, которые могут (для увеличения К у ) выполняться в виде источников тока. Кроме этого, при высоких r 10 , r 11 известный ДУ имеет недостаточно широкий диапазон рабочих частот, что обусловлено постоянными времени:

где С 5 , C 8 - эквивалентные постоянные времени, обусловленные паразитными емкостями на подложку элементов схемы 5, 10 и 8, 11. Если С 5 =С 8 0,5 пФ, а r 10 r 11 10 6 Ом, то 5 = 8 =510 -7 с, что отрицательно сказывается на верхней граничной частоте устройства.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых обеспечивается высокая стабильность статического режима ДУ, повышенные значения его коэффициента усиления по напряжению К у и верхней граничной частоты f в (по уровню - 3 дБ).

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном усилителе фиг.1, содержащем первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18. Кроме того, в заявляемом ДУ первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

На чертеже фиг.1 показана схема ДУ-прототипа с выходным каскадом на p-n-p транзисторах.

На чертеже фиг.2 показан ДУ фиг.1 с выходным каскадом на n-p-n транзисторах.

На чертеже фиг.3 приведена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.3 с конкретным выполнением буферных усилителей 15 и 13, а также неинвертирующего каскада 18.

На чертеже фиг.5 приведена схема заявляемого ДУ фиг.4 в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.6 показана частотная зависимость коэффициента усиления по напряжению ДУ фиг.5 при разных значениях емкостей корректирующих конденсаторов С 2 (20) и С 3 (19).

На чертеже фиг.7 показана зависимость выходных напряжений ДУ при входном синусоидном сигнале Uin1=1 мВ.

Широкополосный дифференциальный усилитель фиг.2 содержит первый 1 входной каскад с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой 4 шиной источника питания, первый 5 выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым 3 токовым выходом и через первый 6 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, второй 8 выходной транзистор, база которого подключена к базе первого 5 выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым 2 токовым выходом и через второй 9 резистор соединен со второй 7 шиной источника питания, первый 10 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого 5 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания, второй 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго 8 выходного транзистора и первой 4 шиной источника питания. Коллектор первого 5 выходного транзистора связан с первым 12 выходом устройства через первый 13 буферный усилитель, коллектор второго 8 выходного транзистора связан со вторым 14 выходом устройства через второй 15 буферный усилитель, между первым 12 и вторым 14 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 16 и второй 17 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого 5 и второго 8 выходных транзисторов через неинвертирующий каскад 18, первый 12 выход устройства соединен с эмиттером первого 5 выходного транзистора через первый 19 корректирующий конденсатор, а второй 14 выход устройства связан с эмиттером второго 8 выходного транзистора через второй 20 корректирующий конденсатор.

В схемах фиг.3, фиг.4 входной дифференциальный каскад 1 выполнен на транзисторах 21 и 22 и источнике опорного тока 23. В дифференциальном усилителе фиг.4, соответствующем чертежу фиг.3, буферный усилитель 13 реализован на транзисторе 25 и источнике тока 33, а буферный усилитель 15 содержит соответственно транзистор 24 и источник опорного тока 32. Кроме этого неинвертирующий каскад 18 реализован здесь на транзисторе 26, резисторах 27, 29 и p-n переходе 28. Конденсаторы 30 и 31 моделируют эквивалентные емкости в соответствующих высокоимпедансных узлах, которые обусловлены емкостями на подложку элементов 5, 10, 8, 11, а также емкостями коллектор-база транзисторов 5, 25 и 8, 24.

Рассмотрим работу ДУ фиг.3.

Статический режим по току транзисторов предлагаемого ДУ фиг.3 устанавливается токостабилизирующими двухполюсниками 10, 11 и 23, причем коллекторные (I кi ) токи транзисторов схемы:

,

где I 0 - заданное значение опорного тока, например 1 мА.

Статические напряжения на выходах ДУ 14 и 12 при нулевом входном сигнале (u вх =0) близко к нулю, что обеспечивается неинвертирующим каскадом 18:

При этом синфазная нестабильность или технологические изменения токов I 10 , I 11 передаются на выходы 12 и 14 и вызывают «подстройку» коллекторных токов транзисторов 5 и 8, что в конечном итоге стабилизирует статический режим схемы.

Таким образом, статический режим транзисторов схемы фиг.3 не зависит от дифференциальных сопротивлений (r i =r 10 =r 11 ) токостабилизирующих двухполюсников 10, 11, которые для повышения К у до уровня 60÷70 дБ (фиг.6) могут выполняться в виде источников тока. В ДУ-прототипе фиг.1 такое исполнение элементов 10, 11 не приемлемо из-за проблем с устойчивостью статического режима. Повышенные значения r i =r 10 =r 11 позволяют получить в схеме фиг.3 повышенные значения К у .

Замечательная особенность заявляемого ДУ состоит в том, что за счет введения корректирующих конденсаторов 19 и 20 более чем на порядок расширяется диапазон рабочих частот ДУ (фиг.6) - верхняя граничная частота f в увеличивается от 4,3 мГц до 48,3 мГц. Данный эффект объясняется взаимной компенсацией эквивалентной емкости на подложку С 30 (С 31 ) емкостью корректирующего конденсатора 20 (19). При этом эффективные емкости С 30.эф , С 31.эф уменьшаются до величины:

где 8 5 0,9÷0,99 - коэффициент усиления по току эмиттера транзисторов 8 и 5.

В результате эквивалентные постоянные времени в высокоимпедансных узлах (коллекторах транзисторов 8 и 5) уменьшаются, что повышает более чем на порядок верхнюю граничную частоту f в ДУ (фиг.6).

Результаты компьютерного моделирования схемы фиг.5 показывают (фиг.6, фиг.7), что на основе предлагаемого ДУ (фиг.3) реализуются широкополосные драйверы дифференциальных линий связи, усилители мощности, фазорасщепители с повышенным коэффициентом усиления и т.п.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 4.406.990, fig.4

2. Патент US 4.600.893

3. Патент US 5.557.238

4. Патент US 5.734.296, fig.3

5. Патент US 5.420.540

6. Патент US 3.879.689, fig.3

7. Ежков Ю.С. Справочник по схемотехнике усилителей. Изд. 2-е. М.: Радиософт, 2002. - стр.87, рис.5.20.

8. Патентная заявка US 2005/0206454, fig.4

9. Патент US 6.710.654

10. Патент US 6.300.831

11. Патент US 5.422.600

Формула изобретения

Широкополосный дифференциальный усилитель, содержащий первый (1) входной каскад с первым (2) и вторым (3) токовыми выходами, общая эмиттерная цепь которого связана с первой (4) шиной источника питания, первый (5) выходной транзистор, эмиттер которого соединен со вторым (3) токовым выходом и через первый (6) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, второй (8) выходной транзистор, база которого подключена к базе первого (5) выходного транзистора, а эмиттер соединен с первым (2) токовым выходом и через второй (9) резистор соединен со второй (7) шиной источника питания, первый (10) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором первого (5) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, второй (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между коллектором второго (8) выходного транзистора и первой (4) шиной источника питания, отличающийся тем, что коллектор первого (5) выходного транзистора связан с первым (12) выходом устройства через первый (13) буферный усилитель, коллектор второго (8) выходного транзистора связан со вторым (14) выходом устройства через второй (15) буферный усилитель, между первым (12) и вторым (14) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (16) и второй (17) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с базами первого (5) и второго (8) выходных транзисторов через неинвертирующий каскад (18), первый (12) выход устройства соединен с эмиттером первого (5) выходного транзистора через первый (19) корректирующий конденсатор, а второй (14) выход устройства связан с эмиттером второго (8) выходного транзистора через второй (20) корректирующий конденсатор.

РИСУНКИ