RU2461957C1 - Differential stage with increased voltage gain - Google Patents
Differential stage with increased voltage gain Download PDFInfo
- Publication number
- RU2461957C1 RU2461957C1 RU2011135544/08A RU2011135544A RU2461957C1 RU 2461957 C1 RU2461957 C1 RU 2461957C1 RU 2011135544/08 A RU2011135544/08 A RU 2011135544/08A RU 2011135544 A RU2011135544 A RU 2011135544A RU 2461957 C1 RU2461957 C1 RU 2461957C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- transistor
- voltage gain
- input
- collector
- Prior art date
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Amplifiers (AREA)
Abstract
Description
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, SiGe-операционных усилителях (ОУ), СВЧ-усилителях, компараторах, непрерывных стабилизаторах напряжения и т.п.).The invention relates to the field of radio engineering and communication and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes (for example, SiGe-operational amplifiers (op amps), microwave amplifiers, comparators, continuous voltage stabilizers, etc. )
В современной микроэлектронике находят применение классические каскодные дифференциальные каскады (ДК) с резисторами в коллекторной цепи входных транзисторов [1-13]. Данная архитектура является основой широкого класса аналоговых и цифровых устройств и является базовой как для существующих, так и для принципиально новых нанотехнологий [10].In modern microelectronics, classic cascode differential cascades (DC) with resistors in the collector circuit of input transistors are used [1-13]. This architecture is the basis of a wide class of analog and digital devices and is basic for both existing and fundamentally new nanotechnologies [10].
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является входной дифференциальный каскад в устройстве по патенту US 5.568.092 fig.1.Closest to the technical nature of the claimed device is the input differential stage in the device according to the patent US 5.568.092 fig.1.
Существенный недостаток известного ДК, архитектура которого присутствует также в других усилительных каскадах [1-13], состоит в том, что при ограничениях на напряжение питания (Еп), характерных для SiGe технологических процессов (Еп≤2,0÷2,5 В), его коэффициент усиления по напряжению (Ky) получается небольшим (Kymax=10÷20). В первую очередь это обусловлено ограничениями на сопротивления резисторов коллекторной нагрузки, которые из-за малых Еп не могут выбираться высокомными. Поэтому для повышения Ky применяются так называемые динамические нагрузки (ДН), например, на биполярных транзисторах, которые требуют для обеспечения линейного режима работы UДН=0,8÷1,6 В статического напряжения между источником питания и выходом ДН. Причем численные значения UДН равны 0,8 В для простейших динамических нагрузок, имеющих, к сожалению, невысокое выходное сопротивление:A significant drawback of the known DC, the architecture of which is also present in other amplification stages [1-13], is that under restrictions on the supply voltage (E p ) characteristic of SiGe technological processes (E p ≤2.0 ÷ 2.5 C ), its voltage gain (K y ) is small (K ymax = 10 ÷ 20). This is primarily due to restrictions on the resistances of the collector load resistors, which, due to small E p, cannot be selected high. Therefore, to increase K y, the so-called dynamic loads (DNs) are used, for example, on bipolar transistors, which require a static voltage between the power source and the output of the DN to provide a linear operating mode U DN = 0.8 ÷ 1.6 V. Moreover, the numerical values of U ДН are equal to 0.8 V for the simplest dynamic loads, which, unfortunately, have a low output impedance:
где UЭрли - напряжение Эрли выходного р-n-р транзистора ДН;where U Earley - voltage Earley output rnp transistor Nam;
Iэ=I0 - статический ток эмиттера р-n-р выходного транзистора ДН.I e = I 0 is the static current of the emitter pnp output transistor DN.
Для интегральных транзисторов Uэрли=20÷30 В. Следовательно, при I0=1 мА применение классических динамических нагрузок не позволяет получить Ky>200÷300. Более высокие выходные сопротивления Rдн реализуются в токовых зеркалах Вильсона или каскодных схемах. Однако они работают только в том случае, когда статическое напряжение Uдн между выводами такой динамической нагрузки более чем 2Uэб≥1,6 В. При низковольтном питании это неприемлемо. Кроме этого не все техпроцессы (например, внедряемый в России SGB25VD) допускают использование р-n-р транзисторов. Для других технологий (НПО «Интеграл» г.Минск) применение р-n-р транзисторов не рекомендуется в условиях радиационного воздействия на микроэлектронное изделие.For integral transistors U airlie = 20 ÷ 30 V. Therefore, when I 0 = 1 mA, the use of classical dynamic loads does not allow to obtain K y > 200 ÷ 300. Higher output resistances R days are realized in Wilson current mirrors or cascode circuits. However, they only work if the static voltage U bottom between the terminals of such a dynamic load is more than 2U eb ≥1.6 V. With a low-voltage power supply this is unacceptable. In addition, not all technological processes (for example, SGB25VD, introduced in Russia) allow the use of pnp transistors. For other technologies (NPO Integral, Minsk), the use of pnp transistors is not recommended under conditions of radiation exposure to a microelectronic product.
Таким образом, при малых напряжениях питания, а особенно в тех случаях, когда требуется получить более-менее значительные амплитуды выходного напряжения, известные схемотехнические решения ДК неэффективны.Thus, at low supply voltages, and especially in cases where it is necessary to obtain more or less significant amplitudes of the output voltage, the well-known circuitry solutions of the DC are inefficient.
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении предельных значений коэффициента усиления по напряжению ДК при низковольтном питании.The main objective of the invention is to increase the limit values of the gain in DC voltage at low voltage power.
Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном каскаде с повышенным усилением по напряжению (фиг.1), содержащем входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8, предусмотрены новые элементы и связи - база выходного транзистора 4 соединена со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения 8, а коллектор связан с шиной источника питания 7.The problem is solved in that in a differential cascade with increased voltage gain (Fig. 1) containing an input parallel-
На чертеже фиг.1 показана схема ДК-прототипа.The drawing of figure 1 shows a diagram of a DC prototype.
Схема заявляемого устройства, соответствующего п.1 и п.3 формулы изобретения, показана на чертеже фиг.2.A diagram of the inventive device corresponding to claim 1 and
На чертеже фиг.3 приведена схема ДК в соответствии с п.2 формулы изобретения.The drawing of figure 3 shows a diagram of a recreation center in accordance with
На чертеже фиг.4 представлена схема ДК (фиг.2) в среде компьютерного моделирования PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар.The drawing of figure 4 presents a diagram of the DC (figure 2) in a computer simulation environment PSpice on models of integrated transistors of FSUE NPP Pulsar.
График фиг.5 характеризует частотную зависимость коэффициента усиления по напряжению (Ky) ДК (фиг.4) для выхода буферного усилителя 5.The graph of Fig. 5 characterizes the frequency dependence of the voltage gain (K y ) of the DC (Fig. 4) for the output of the
Дифференциальный каскад (фиг.1), содержит входной параллельно-балансный каскад 1 с первым 2 и вторым 3 токовыми выходами, выходной транзистор 4, эмиттер которого соединен с первым 2 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1, а коллектор соединен со входом буферного усилителя 5 и через резистор коллекторной нагрузки 6 связан с шиной источника питания 7, вспомогательный источник напряжения 8. При этом база выходного транзистора соединена 4 со вторым 3 токовым выходом входного параллельно-балансного каскада 1 и через дополнительный резистор 9 связана с шиной источника питания 7, эмиттер выходного транзистора 4 соединен с эмиттером дополнительного транзистора 10, база которого соединена со вспомогательным источником напряжения (8), а коллектор связан с шиной источника питания 7.The differential stage (Fig. 1) contains an input parallel-
На чертеже фиг.2 входной параллельно-балансный каскад 1 содержит входные транзисторы 11, 12 и источник тока 13, устанавливающий их статические режимы.In the drawing of figure 2, the input parallel-
В схеме фиг.2 буферный усилитель 5 реализован в частном случае на транзисторе 13, стабилитроне 14 и источнике тока 15, а параллельно дополнительному резистору 9 включен корректирующий конденсатор 19.In the circuit of FIG. 2, the
На чертеже фиг.3, в соответствии с п.2 формулы изобретения, коллектор дополнительного транзистора 10 связан с шиной источника питания 7 через дополнительный резистор нагрузки 16 и подключен к вспомогательному 17 выходу устройства через вспомогательный 18 буферный усилитель. Это позволяет реализовать второй противофазный выход 17 и решить, таким образом, задачи построения ДК с парафазным выходом.In the drawing of Fig. 3, in accordance with
Рассмотрим работу схемы фиг.2.Consider the operation of the circuit of figure 2.
Изменение uвх приводит к приращению эмиттерных (iэ) и коллекторных (ik) токов транзисторов 11, 12, 4:The change in u I leads to an increase in emitter (i e ) and collector (i k ) currents of
где φT≈25 мВ - температурный потенциал;where φ T ≈25 mV is the temperature potential;
- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12 при статическом токе эмиттера Iэ=2I0. - resistance of the emitter junctions of
Напряжение U3 на токовом выходе 3 (u3=uкl2≈iк12R9), являющееся входным напряжением для каскада на транзисторах 4 и 10, создает первую iэ4.10 составляющую приращения тока эмиттера транзистора 4:The voltage U 3 at the current output 3 (u 3 = u кl2 ≈i к12 R 9 ), which is the input voltage for the cascade on
где .Where .
Поэтому суммарное приращение коллекторного тока ik4 транзистора 4 и выходное напряжение ДКTherefore, the total increment of the collector current i k4 of the
где Ку - коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.2).where K y is the voltage gain DC (Fig. 2).
Таким образом, коэффициент усиления по напряжению Ky заявляемого ДУ превышает ДК-прототипа в N-раз.Thus, the voltage gain K y of the claimed remote control exceeds DC prototype N-times.
где Where
- коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.1). - gain voltage DC (figure 1).
Данные выводы подтверждаются результатами компьютерного моделирования (фиг.5). Заявляемый ДК имеет более чем на порядок высокое значение коэффициента усиления по напряжению и двухканальную архитектуру - передачу сигнала на выход по высокочастотному (транзисторы 11, 4) и относительно высокочастотному (транзисторы 12, 4) каналам, что положительно сказывается на обеспечении устойчивости ДК в схемах с отрицательной обратной связью, позволяет в соответствии с п.3 формулы изобретения обеспечить коррекцию амплитудно-частотной характеристики путем шунтирования дополнительного резистора 9 специальным конденсатором.These findings are confirmed by the results of computer simulation (figure 5). The inventive DC has more than an order of magnitude high voltage gain and a two-channel architecture — transmission of the signal to the output via high-frequency (
Таким образом, заявляемый дифференциальный каскад имеет ряд преимуществ в сравнении с ДК-прототипом.Thus, the claimed differential cascade has several advantages in comparison with the DC prototype.
ЛитератураLiterature
1. Патентная заявка США 2010/007419, fig.3.1. US Patent Application 2010/007419, fig. 3.
2. Патент США №7.737.783.2. US patent No. 7.737.783.
3. Патент США №5.568.092, fig.1.3. US Patent No. 5.568.092, fig. 1.
4. Патент США №6.100.759, fig.3.4. US Patent No. 6,100.759, fig. 3.
5. Патентная заявка США 2002/0093380, fig.1.5. US Patent Application 2002/0093380, fig. 1.
6. Патентная заявка США 2009/0195312, fig.1.6. US Patent Application 2009/0195312, fig. 1.
7. Патент США №3.541.465, fig.3.7. US Patent No. 3,541,465, fig. 3.
8. Патент США №5.440.271.8. US Patent No. 5,440.271.
9. Патент США №6.262.628, fig.14В.9. US Patent No. 6,262.628, fig. 14B.
10. Патентная заявка США 2006/0181347, fig.2.10. US Patent Application 2006/0181347, fig. 2.
11. Патентная заявка США 2006/0044064, fig.2.11. US Patent Application 2006/0044064, fig. 2.
12. Патент США №6.011.431, fig.3.12. US Patent No. 6.011.431, fig. 3.
13. Патент Англии GB 1520085, fig.2.13. England patent GB 1520085, fig. 2.
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011135544/08A RU2461957C1 (en) | 2011-08-25 | 2011-08-25 | Differential stage with increased voltage gain |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011135544/08A RU2461957C1 (en) | 2011-08-25 | 2011-08-25 | Differential stage with increased voltage gain |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2461957C1 true RU2461957C1 (en) | 2012-09-20 |
Family
ID=47077626
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011135544/08A RU2461957C1 (en) | 2011-08-25 | 2011-08-25 | Differential stage with increased voltage gain |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2461957C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU733084A1 (en) * | 1974-04-17 | 1980-05-05 | Львовский Филиал Всесоюзного Научно- Исследовательского Института Физико- Технических И Радиотехнических Измерений | Differential amplifier |
US5568092A (en) * | 1994-05-24 | 1996-10-22 | Nec Corporation | Attenuated feedback type differential amplifier |
US6100759A (en) * | 1998-02-27 | 2000-08-08 | Stmicroelectronics S.R.L. | Low noise, integrated AC differential amplifier |
RU2421879C1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with high-frequency compensation |
-
2011
- 2011-08-25 RU RU2011135544/08A patent/RU2461957C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU733084A1 (en) * | 1974-04-17 | 1980-05-05 | Львовский Филиал Всесоюзного Научно- Исследовательского Института Физико- Технических И Радиотехнических Измерений | Differential amplifier |
US5568092A (en) * | 1994-05-24 | 1996-10-22 | Nec Corporation | Attenuated feedback type differential amplifier |
US6100759A (en) * | 1998-02-27 | 2000-08-08 | Stmicroelectronics S.R.L. | Low noise, integrated AC differential amplifier |
RU2421879C1 (en) * | 2010-05-11 | 2011-06-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") | Differential amplifier with high-frequency compensation |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2421887C1 (en) | Differential amplifier with paraphase output | |
RU2390916C1 (en) | Precision operational amplifier | |
RU2333593C1 (en) | Differential amplifier with wider active operation range | |
RU2331971C1 (en) | Differential amplifier with extended rating of operation | |
RU2439780C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2461957C1 (en) | Differential stage with increased voltage gain | |
RU2416155C1 (en) | Differential operating amplifier | |
RU2595927C1 (en) | Bipolar-field operational amplifier | |
RU2432666C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2390912C2 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2446554C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2432665C1 (en) | Differential operational amplifier with low supply voltage | |
RU2321158C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2419187C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased zero level stability | |
RU2411637C1 (en) | Precision operational amplifier with low voltage of zero shift | |
RU2393629C1 (en) | Complementary cascode differential amplifier | |
RU2439778C1 (en) | Differential operational amplifier with paraphase output | |
RU2383099C2 (en) | Differential amplifier with low-resistance inputs | |
RU2469465C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2374757C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2331970C1 (en) | Differential amplifier of ab class | |
RU2309531C1 (en) | Differential amplifier with expanded range of cophased signal change | |
RU2444114C1 (en) | Operational amplifier with low-resistance load | |
RU2402151C1 (en) | Cascode differential amplifier | |
RU2455756C1 (en) | Cascode differential amplifier with increased amplification ratio |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130826 |