[go: up one dir, main page]

RU2461957C1 - Differential stage with increased voltage gain - Google Patents

Differential stage with increased voltage gain Download PDF

Info

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
Application number
RU2011135544/08A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Николаевич Прокопенко (RU)
Николай Николаевич Прокопенко
Алексей Иванович Сергеенко (RU)
Алексей Иванович Сергеенко
Александр Игоревич Серебряков (RU)
Александр Игоревич Серебряков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС") filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ФГБОУ ВПО "ЮРГУЭС")
Priority to RU2011135544/08A priority Critical patent/RU2461957C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2461957C1 publication Critical patent/RU2461957C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering.
SUBSTANCE: differential stage with increased voltage gain contains input parallel-balancing stage, output transistor, buffer amplifier, resistor of collector load, subsidiary power source, subsidiary resistor, subsidiary transistor.
EFFECT: increase of limit values of voltage gain ratio of DS at low-voltage supply.
3 cl, 5 dwg

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:

Figure 00000001
Figure 00000001

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-balanced stage 1 with first 2 and second 3 current outputs, the output transistor 4, the emitter of which is connected to the first 2 current output of the input in parallel -balance stage 1, and the collector is connected to the input of the buffer amplifier 5 and through the collector load resistor 6 is connected to the bus of the power supply 7, an auxiliary voltage source 8, new elements and communications are provided - the base of the output trans the source 4 is connected to the second 3 current output of the input parallel-balanced stage 1 and through an additional resistor 9 is connected to the bus of the power supply 7, the emitter of the output transistor 4 is connected to the emitter of the additional transistor 10, the base of which is connected to the auxiliary voltage source 8, and the collector is connected to power supply bus 7.

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 claim 3 of the claims is shown in the drawing of figure 2.

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 paragraph 2 of the claims.

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 buffer amplifier 5.

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-balanced stage 1 with the first 2 and second 3 current outputs, an output transistor 4, the emitter of which is connected to the first 2 current output of the parallel-input stage 1, and the collector is connected to the input of the buffer amplifier 5 and through the collector load resistor 6 is connected to the bus of the power source 7, the auxiliary voltage source 8. In this case, the base of the output transistor is connected 4 to the second 3 current output of the input parallel-balanced stage 1 and through additional resistor 9 is connected with the power source bus 7, the emitter output of the transistor 4 is connected to the emitter of the additional transistor 10, whose base is connected to the auxiliary voltage source (8), and whose collector is connected to the supply bus 7.

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-balanced stage 1 contains input transistors 11, 12 and a current source 13, which sets their static modes.

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 buffer amplifier 5 is implemented in a particular case on a transistor 13, a zener diode 14 and a current source 15, and a correction capacitor 19 is connected in parallel with the additional resistor 9.

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 claim 2, the collector of the additional transistor 10 is connected to the bus of the power source 7 through an additional load resistor 16 and is connected to the auxiliary 17 output of the device through the auxiliary 18 buffer amplifier. This allows you to implement the second antiphase output 17 and thus solve the problem of constructing a DC with a paraphase output.

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 transistors 11, 12, 4:

Figure 00000002
Figure 00000002

где φT≈25 мВ - температурный потенциал;where φ T ≈25 mV is the temperature potential;

Figure 00000003
- сопротивления эмиттерных переходов транзисторов 11 и 12 при статическом токе эмиттера Iэ=2I0.
Figure 00000003
- resistance of the emitter junctions of transistors 11 and 12 with a static emitter current I e = 2I 0 .

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 transistors 4 and 10, creates the first i e4.10 component of the current increment of the emitter current of transistor 4:

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
.Where
Figure 00000005
.

Поэтому суммарное приращение коллекторного тока ik4 транзистора 4 и выходное напряжение ДКTherefore, the total increment of the collector current i k4 of the transistor 4 and the output voltage of the DC

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

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

Figure 00000008
ДК-прототипа в N-раз.Thus, the voltage gain K y of the claimed remote control exceeds
Figure 00000008
DC prototype N-times.

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
Where
Figure 00000010

Figure 00000011
- коэффициент усиления по напряжению ДК (фиг.1).
Figure 00000011
- 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 (transistors 11, 4) and relatively high-frequency (transistors 12, 4) channels, which positively affects the stability of the DC in circuits with negative feedback allows, in accordance with paragraph 3 of the claims, to provide the correction of the amplitude-frequency characteristics by shunting an additional resistor 9 with a special capacitor.

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)

1. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению, содержащий 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), отличающийся тем, что 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).1. Differential stage with increased voltage gain, containing an input parallel-balanced stage (1) with first (2) and second (3) current outputs, an output transistor (4), the emitter of which is connected to the first (2) current output of the input parallel -balance cascade (1), and the collector is connected to the input of the buffer amplifier (5) and is connected to the bus of the power source (7) through the collector load resistor (6), an auxiliary voltage source (8), characterized in that the base of the output transistor is connected ( 4) with a second (3) current input input one parallel-balanced stage (1) and through an additional resistor (9) connected to the bus of the power source (7), the emitter of the output transistor (4) is connected to the emitter of the additional transistor (10), the base of which is connected to the auxiliary voltage source (8), and the collector is connected to the bus of the power source (7). 2. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению по п.1, отличающийся тем, что 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.2. The differential cascade with increased voltage gain according to claim 1, characterized in that the collector of the additional transistor (10) is connected to the bus of the power source (7) through an additional load resistor (16) and connected to the auxiliary (17) output of the device through the auxiliary (18) buffer amplifier. 3. Дифференциальный каскад с повышенным усилением по напряжению по п.1, отличающийся тем, что параллельно дополнительному резистору (9) включен корректирующий конденсатор (19). 3. The differential cascade with increased voltage gain according to claim 1, characterized in that a correction capacitor (19) is connected in parallel with the additional resistor (9).
RU2011135544/08A 2011-08-25 2011-08-25 Differential stage with increased voltage gain RU2461957C1 (en)

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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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